Výzkum vlastností nových slitin typů Al - Si legovaných vápníkem

Ing. Elena STŘIHAVKOVÁ

Doctoral thesis

Analysis of the properties of the new alloys of Al - Si doped with calcium.

Abstract:

Disertační práce se zabývá výzkumem použití hliníku a hliníkových slitin typu Al Si. Pro experimentální účely byla vybrána slitina AlSi7Mg0,3 a to především z důvodu svých dobrých slévárenských vlastnosti, mechanických vlastností jako je vysoká pevnost, odolnost vůči korozi a z důvodu širokého a aktuální uplatnění v odvětví průmyslu jako je letecký a automobilový (odlitky kol osobních automobilů, motorové díly). Slitina byla také vybrána z důvodu zvýšení mechanických vlastností, které je nejefektivnější v případě modifikování slitiny. U hliníkových slitin se pro zlepšení mechanických a technologických vlastností v značné míře a s různými obměnami používá proces očkování a modifikace. Hlavním cílem těchto metod je zvýšení počtu krystalizačních zárodků a tím působit na zjemnění struktury, nebo ovlivnit mechanizmus tuhnutí eutektika, které pozitivně ovlivňují vlastnosti a přinášejí možnosti zlepšení mechanických vlastností. Významnou možností při modifikování hliníkových slitin je využití předpokladu účinku vápníku na vlastnosti výchozí slitiny, který je dlouhodobější než je to u sodíku, jak můžeme číst u [16]. Optimalizací množství vápníku u slitin typu Al-Si se dále předpokládá zlepšení slévárenských vlastností, kde přidáním Ca u slitin Al klesá povrchové napětí o cca 50% a tím se zlepšuje zabíhavost. To umožňuje vyrábět tenkostěnné a tvarově složité odlitky, které by bez přidání Ca nebylo možné u dané slitiny vůbec odlévat [20], co je považováno za pozitivní vliv vápníku na slitiny Al. Podle [23] snižuje přítomnost Ca u slévárenských hliníkových slitin odolnost vůči korozi. Dále zvyšuje rozpustnost vodíku v tavenině a Ca je tedy zodpovědný za přítomnost pórů v odlitcích, co je negativní důsledek vlivu vápníku v slitinách Al. Práce má teoretickou část, která se zabývá slitinami hliníku typu Al-Si legovaných Mg, modifikačním účinkům známých modifikovadel jako jsou sodík, stroncium, antimon a bizmut, jejich vlivům na mechanizmus tuhnutí eutektika, tepelným zpracováním hliníkových slitin typu Al-Si a také metodám zkoumání a vyhodnocování vlastností slévárenských hliníkových slitin. Dále se také v teoretické části zabývá porovnáním účinků vápníku s modifikačním účinkem stroncia, sodíku, antimonu a bizmutu. Experimentální části je zaměřena na vývoj nové slitiny typu AlSi7Mg0,3CaX a tedy na prozkoumání oblasti vlivu vápníku přidávaného do podeutektického siluminu AlSi7Mg0,3. Vápník byl přidáván do slitiny v podobě předslitiny AlCa10 v odsupovaném množství 0,1 hm. % Ca, 0,5 hm. % Ca a 1 hm. % Ca. Zkoumané vzorky byly připraveny gravitačním odléváním do kovové formy. U takto nové připravených slitin byl proveden celkový strukturální rozbor a byly identifikovány jednotlivé složky struktury u nově vyrobených slitin legovaných Ca. Identifikace proběhla pomocí kvantitativních a kvalitativních metod hodnocení struktur s využitím metod, černo-bílé a barevné metalografie, pomocí spektrální chemické analýzy a EDS analýzy. Dále byl proveden výzkum chemických vlastností (odolnost vůči korozi), technologických vlastností (slévatelnosti a obrobitelnosti), a mechanických vlastností (mez kluzu, mez pevnosti a tažnost). Další část práce byla věnována optimalizaci tepelného zpracování s vlivem na mechanické vlastnosti odlitků už u nově navržené slitiny AlSi7Mg0,3CaX. Byl proveden režim tepelného zpracování, který zahrnoval rozpouštěcí ohřev, zakalení, vytvrzování a následné ochlazení na vzduchu. Na takto připravených vzorcích byla provedena statická zkouška v tahu dle normy ČSN EN 10002 1 a zkouška mikrotvrdosti dle Vickerse.

Abstract:

The thesis deal with the research use of aluminium and aluminium alloys of the type Al Si. For experimental purposes AlSi7Mg0,3 alloy was chosen primarily because of its good casting properties, mechanical properties such as high strength, corrosion resistance and because of the broad and current applications in industries such as aerospace and automotive (cast wheels of cars, motor parts). The alloy was also chosen because of the increase in mechanical properties which is effective in the case of the modified alloy. For aluminium alloys to improve the mechanical and technological properties largely used as various variations and modifications of the process of vaccination. The main aim of these methods is to increase the number of nucleation, thereby causing the structure to soften or affect the eutectic solidification mechanism that positively affect the properties and provide opportunities for improving the mechanical properties. An important option when modifying aluminium alloys is provided the use of the effect of calcium on the properties of the starting alloy, which is longer than it is with sodium, as we read in [16]. By optimizing the amount of calcium in the alloys of the Al Si is further assumed improve casting properties, wherein the addition of Ca in the Al alloy decreases the surface tension of about 50% and thus improves fluidity. This allows to produce thin-walled and complex shaped castings that without adding. This allows to possible for the cast alloy at all [20], what is seen as a positive influence on calcium alloy Al. According to [23] reduces the presence of Ca in casting aluminium alloy corrosion resistance. Further increasing the solubility of hydrogen in the melt and Ca is therefore responsible for the presence of pores in the casting, which is a negative result of the influence of calcium in Al alloys. Work has a theoretical part which is engaged in aluminium alloys Al Si alloy Mg, modifying effect known modify such as sodium, strontium, antimony and bismuth, their affects on the mechanism of eutectic solidification, heat treatment of aluminium alloys Al Si, and also methods of examination and evaluating the properties of aluminium alloy casting. Furthermore, also in the theoretical part deals with the comparison of the effects of the modifying effect of calcium, strontium, sodium, antimony and bismuth. The experimental part is focused on the development of new alloys of AlSi7Mg0,3CaX and therefore to explore the influence of calcium added to hypo eutectic silumin AlSi7Mg0,3. Calcium was added to the alloy in the form of ligatures AlCa10 graduated in an amount of 0,1 wt. % Ca, 0,5 wt. % Ca and 1 wt. % Ca. The investigated samples were prepared by gravity casting in metal moulds. In this newly prepared alloys a complete structural analysis and identified the individual components of the structure for newly manufactured alloys doped Ca. Identification was carried out using quantitative and qualitative methods of evaluation structures using methods, black and white and colour metallographic, chemical analysis using spectral and EDS analysis. Further research was conducted chemical properties (corrosion resistance), technological properties (fluidity and machinability) and mechanical properties (yield strength, ultimate strength and ductility). Another part was devoted to the optimization of the heat treatment of the influence on the mechanical properties of casts it in a newly designed alloy AlSI7Mg0,3CaX. Was carried out heat treatment regime which included dissolving heating, turbidity, curing and subsequent cooling in ait. The thus prepared samples was performed static tensile test according to ČSN EN 1002 1 and Vickers microhardnes test.

Keywords

hliníková slitina, předslitina AlCa10, modifikace, vlastnosti

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 16. 10. 2014

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Supervisor: doc. Ing. Štefan Michna, Ph.D.

JAN EVANGELISTA PURKYNĚ UNIVERSITY IN ÚSTÍ NAD LABEM

Faculty of Production Technology and Management

Doctoral programme / field:
Engineering Technology / Engineering Techology