Slévárenství Foundry Industry
Hutnické listy č.1/2010, roč. LXIII ISSN 0018-8069
slévárenství Vady u odlévaných automobilových pístů gravitačním litím do kovové formy Defects in Automotive Pistons Manufactured by Gravity Casting into Metal Mould Doc. Ing. Štefan Michna, PhD, Ing. Petr Majrich, Univerzita J. E. Purkyně v Ústí nad Labem, Fakulta výrobních technologií a managementu
U automobilových pístů odlévaných gravitačním litím do kovové formy se nejčastěji vyskytuje vada částečného nepropojení vkládaných litinových kroužku se slitinou AlSi12MgCuNi. Při gravitačním lití do kovové formy se do vrchní části pístů zalévá litinový kroužek a u značné části odlitých pístů nedochází při výrobě k propojení mezi materiálem kroužku a slitinou hliníku. U dodaných vzorků nepropojených litinových kroužků byly po odtržení kroužku od pístu patrné nepravidelné tmavé černé stopy, a to především u vnitřního okraje (obr. 1). Tyto stopy byly identifikované pomoci EDX analýz jako korozní zplodiny vniklé na litinovém kroužku. Tyto korozní zplodiny na povrchu litinového kroužku brání vzájemnému difúznímu propojení s hliníkovou taveninou. V místech, kde nejsou přítomny korozní zplodiny, vzniká souvislá společná difúzní vrstva mezi Al taveninou a Fe materiálem o tloušťce cca 110-130 µm. Defect of partial disconnection between rings, which are inserted, and an alloy AlSi12MgCuNi is most often found in automotive pistons, which are manufactured by gravity casting into metallic molds. The cast iron ring is cast into the top of the pistons during the gravitational casting in metallic mold. Link between material of ring and aluminum alloys is not by most pistons. Irregular dark black traces are visible after the separation of piston ring on the supplied samples especially in the internal edges (Figure 1). These traces were identified by an EDX analysis as corrosion products, which originated in the iron ring. These corrosive products prevent the diffusion link with the aluminum melt. Continuous diffusion layer between the Al melt and Fe material is there, where is the absence of corrosive products (thickness of approx. 110-130 µm). It is evident from the images of microstructure of the areas, in which there is no connection between the cast iron material of the ring and aluminum material of the piston, that there are no diffusive processes between material of the ring and aluminum material. Fine interlayer with thickness of a few microns is evident on the surface of the ring. Layer of aluminum from the rest of the diffusion bonding is also evident. The surface EDX analysis of the area, in which occurrence of dark, black, irregular marks indicates the presence of iron oxides and aluminum with an accompanying amount of Ni and Cu, which comes from the cast iron ring. It is the presence of corrosion products on the surface of cast iron ring before the reaction with aluminum. EDX analysis of the soft, first interlayers of the cast-iron ring with thickness of few microns also points to the greater presence of iron oxide with an accompanying amount of Ni, Cu and Cr, which come from the cast iron ring. It is clear that the soft layer prevents the penetration of aluminum to the cast-iron ring and diffusion processes are suppressed between the cast-iron ring and aluminum melt. Linear records and EDX analysis of good links show considerable distress of Fe material by an Al melt and formation of diffusion interconnected layers with a thickness of 110 to 130 µ m. It is likely that the unrelated between cast iron ring and an aluminum melt is due to the presence of corrosion products (iron oxides) on the surface of cast iron ring. It is therefore necessary to clean the surface of rings of corrosion products before dipping it into the aluminum alloy. do vrchní části pístů zalévá litinový kroužek. Jde o kroužek z litiny s lupínkovým grafitem o následujícím Při výrobě automobilových pístů gravitačním odléváním chemickém složení: C 2,2 – 3,0 %; Si 1,5 – 2,5 %; Mn do kovové formy se používá jako materiál slitina 0,8 – 1,5 %; Ni 13,5 – 17,0 %; Cu 5,0 – 7,0 %; P pod 0,1 AlSi12MgCuNi. Při gravitačním lití do kovové formy se %; S pod 0,1 %. U značné části odlitých pístů nedochází
1. Úvod
38
Hutnické listy č.1/2010, roč. LXIII ISSN 0018-8069 při výrobě k propojení mezi materiálem kroužku a slitinou hliníku (obr. 2). Úkolem této práce bylo na dodaných vzorcích litinových kroužků prozkoumat a podrobně analyzovat po odtržení patrné nepravidelné tmavé černé stopy s cílem zjistit příčinu nepropojení, dále bylo předmětem práce prozkoumat a popsat vzájemné difúzní procesy mezi Al taveninou a Fe materiálem. Slitina AlSi12CuMgNi patří do skupiny slévárenských slitin na bázi Al – Si, která má složení v oblasti eutektického bodu (12,5 hm. %) a jde tedy o eutektický silumin. Slitiny na bázi Al – Si patří k nejstarším a v současné době vzhledem ke svým vlastnostem i k nejrozšířenějším hliníkovým slévárenským slitinám. Jejich využití je především v oblasti dopravních prostředků, kde první místo zaujímá automobilový průmysl, ve kterém se z dané slitiny vyrábí např. písty spalovacích motorů (obr. 2). Z hlediska chemického složení jde o složitou polykomponentní soustavu s 5 základními prvky (Al, Si, Cu, Mg a Ni) a dalšími nečistotami (především Fe, Mn, Ti a Zn).
Slévárenství Foundry Industry
2. Výsledky metalografického zkoumaní Z dodaných nepropojených litinových kroužků byly nahodile vybrány dva, které byly podrobeny metalografickým a EDX analýzám na elektronovém rastrovacím mikroskopu. Cílem bylo zjistit na povrchu zbytkové mazací nebo jiné organické látky či další důvody vedoucí k nepropojení litinového kroužku s materiálem na bázi hliníku. Na obrázcích mikrostruktury (obr. 3, 4) v oblasti, ve které nedošlo k dokonalému spojení, je patrné, že nedošlo k difúzním procesům mezi litinovým kroužkem a hliníkovým materiálem. Na povrchu kroužku je patrná jemná, několik mikronů silná mezivrstva (vzorek č. 2, označeno šipkou). Na obrázku obr. 5 je zobrazeno místo dobrého difúzního propojení hliníkové slitiny AlSi12CuMgNi s pístními kroužky. V pravé části se nachází šedá litina s lupínkovým grafitem a v levé části je umístěn eutektický nemodifikovaný silumin s velkým množstvím křemíku (Si). Na obr. 5 lze také vidět intermetalické fáze typu AlFeMn a AlFe(Si)Mn.
Obr. 1 Nespojené litinové kroužky Fig. 1 Unattached cast - iron quoits Obr. 3 Vzorek č. 1, snímek z optického konfokálního laserového mikroskopu – oblast zbytku Al materiálu a tmavé černé nepravidelné stopy na povrchu Fig. 3 Sample No. 1, picture from optical confocal laser microscope – region the rest Al material and dark bull's eye irregular ft to the eye
Obr. 2 Detail pístu spalovacího motoru s označením místa pro umístění litinového kroužku Fig. 2 Detail piston gas - engine with mark seats for placing cast - iron ringlet
mezivrstva
39
Slévárenství Foundry Industry
Hutnické listy č.1/2010, roč. LXIII ISSN 0018-8069
Obr. 4 Vzorek č. 2, snímek z optického konfokálního laserového mikroskopu – oblast zbytku Al materiálu a tmavé černé nepravidelné stopy na povrchu Fig. 4 Sample No. 2, picture from optical confocal laser microscope – region the rest Al material and dark bull's - eye irregular ft to the eye
Na obr. 6 je struktura zkoumaného vzorku, u kterého byl píst vyhodnocený jako neshoda. Na obr. 6 můžeme vidět patrné souvislé nepropojení hliníkové slitiny se šedou litinou. U šedé litiny můžeme pozorovat klubíčka lupínkového grafitu. Dále je zde zobrazeno nerovnoměrné rozložení nemodifikovaného hliníku (Al) s částicemi primárního křemíku (Si). V levé části je situována bublina, která byla hlavní příčinou vyřazení pístu.
Obr. 7 Nepravidelné tmavé černé stopy na povrchu litinového kroužku z elektronového rastrovacího mikroskopu Fig. 7 Irregular dark bull's - eye ft to the eye cast - iron ringlet from electron scanning microscope
Quantitative Results
Al
Elt
W%
A%
O Mg
30.85
45.46
2.95
2.86
Al
38.24
33.41
Si
15.84
13.29
Fe
8.41
3.55
Ni
1.75
0.70
Cu
1.97
0.73
6000
5000
4000
3000
Mg
2000
Si Cu Ni Fe O
1000
Fe
Cu Ni Cu Fe Ni
0 0
Obr. 5 Vzorek č. 1, snímek z optického konfokálního laserového mikroskopu - difúzní propojení Al materiálu s litinovým kroužkem Fig. 5 Sample No. 1, picture from optical confocal laser microscope - multiple connection Al material with cast iron ringlet
5
keV 10
15
20
100.00 100.00 Plošná EDX analýza poukazuje na přítomnost oxidů železa a hliníku s doprovodným množstvím Ni a Cu pocházející z litinového kroužku. Z morfologie výskytu nepravidelných tmavých „puchýřků“ na povrchu (obr. 7) i z EDX analýz lze dokázat přítomnost korozních zplodin na povrchu litinového kroužku ještě před reakcí se slitinou hliníku. Příčný řez místa propojení litinového kroužku s Al materiálem
Obr. 6 Vzorek č. 2, snímek z optického konfokálního laserového mikroskopu - vzniklá bublina při odlévání pístu Fig. 6 Sample No. 2, picture from optical confocal laser microscope - incurred bubble at casting piston
3. EDX analýzy Patrné nepravidelné tmavé černé stopy na povrchu litinového kroužku u vnitřního okraje
40
Obr. 8 Mikrostruktura z elektronového rastrovacího mikroskopu v příčném řezu místa výskytu nepravidelné tmavé černé stopy na povrchu litinového kroužku
Hutnické listy č.1/2010, roč. LXIII ISSN 0018-8069 Fig. 8
Slévárenství Foundry Industry
Microstructure from electron scanning microscope in crosscut habitat irregular dark bull's - eye ft to the eye cast iron ringlet
1.
mezivrstva
Quantitative Results Elt O Al Si Cr Mn Fe Ni Cu
Al 1500
1000
Fe 500
Si Ni Fe
Ni Fe
Ni
0 0
5
keV 10
15
20
W% 14.05 2.32 8.95 1.57 0.96 55.69 5.46 11.02 100.00
A% 33.86 3.31 12.28 1.16 0.67 38.45 3.58 6.69 100.00
Plošná EDX analýza jemné, několik mikronů silné, první mezivrstvy u litinového kroužku poukazuje převážně na přítomnost oxidů železa s doprovodným množstvím Ni, Cu a Cr, které pochází z litinového kroužku. 2.
mezivrstva
Quantitative Results W%
A%
Al
49.53
61.73
Si
13.36
16.00
Fe
34.52
20.79
Ni
2.59
1.49
Fe
1100
Elt
1000 900 800 700 600 500 400
Si Cu Ni Fe Mn Cr Al O
300 200 100 0 0
Mn Fe Cu Cr Ni Ni Cr Cu Mn 5
keV 10
15
20
100.00 100.00 Plošná EDX analýza druhé mezivrstvy u litinového kroužku s tloušťkou 15 – 20 mikronů poukazuje převážně na přítomnost Fe, Al, Si a Ni. Nejsou zde patrné oxidy těchto prvků.
4. Lineární průběh EDX analýz u jednotlivých prvků v oblasti difúzního propojení
Obr. 9 Fig. 9
Lineární průběh koncentrace jednotlivých hlavních prvků v hmotnostních procentech v oblasti propojení Linear course concentration single of the chief elements in specific per cent in the area connection
Lineární průběh koncentrace jednotlivých hlavních prvků (Fe, Al, Cu, Mg a Mn) na úseku L1 od 3843 µm do 11773 µm zasahuje od oblasti hliníkové slitiny, skrz celou oblast společné Al-Fe mezivrstvy až do oblasti litiny s lupínkovým grafitem. V tabulce č. 1 jsou zaznamenány jednotlivé procentní hmotnostní koncentrace prvků Al, Fe, Cu, Mg a Mn pomocí bodových EDX analýz po celé délce úseku L1. Jak lineární záznamy, tak i EDX analýzy dokazují značné rozrušení Fe materiálu pomocí Al taveniny a vznik difúzně propojené vrstvy.
41
Slévárenství Foundry Industry Tab. 1 Hmotnostní procenta jednotlivých hlavních prvků v rámci bodové EDX analýzy Tab. 1 Percentage by weight single of the chief elements in terms of punctual EDX analyses
Point Nr 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
X MgKa AlKa MnKa FeKa CuKa [µm] 3843 1,12 94,75 0,51 0,68 2,93 0,56 2,37 4260 0,82 95,73 0,52 4677 1,04 95,07 0,50 0,83 2,55 5095 0,81 96,35 0,43 0,50 1,91 5512 0,77 96,79 0,46 0,55 1,44 1,10 3,13 5930 1,18 94,27 0,32 6347 2,62 92,06 0,38 1,87 3,06 6764 1,07 96,65 0,48 0,61 1,20 0,47 1,09 7182 0,98 97,01 0,45 7599 0,86 97,00 0,36 0,47 1,32 0,65 1,45 8016 1,04 96,44 0,42 0,54 1,19 8434 0,81 96,94 0,51 8851 0,78 96,99 0,50 0,58 1,16 8,01 1,12 9268 1,00 89,48 0,39 9686 0,91 0,74 0,75 88,42 9,18 10103 0,91 0,64 0,66 90,37 7,42 10521 0,98 0,73 0,97 90,49 6,82 10938 1,00 1,25 2,07 92,22 3,46 11355 1,02 0,73 1,77 93,35 3,12 11773 1,22 1,17 1,24 91,34 5,03
5. Závěry Na snímcích mikrostruktury z oblastí, ve kterých nedošlo k propojení mezi litinovým materiálem kroužku a hliníkovým materiálem pístu, je patrné, že nedošlo k difúzním procesům mezi materiálem kroužkem a hliníkovým materiálem. Na povrchu kroužku je patrná jemná, několik mikronů silná mezivrstva a také vrstva zbytku hliníku z difúzního propojení.
Hutnické listy č.1/2010, roč. LXIII ISSN 0018-8069 Plošná EDX analýza místa s výskytem tmavé, černé, nepravidelné stopy poukazuje na přítomnost oxidů železa a hliníku s doprovodným množstvím Ni a Cu, jenž pochází z litinového kroužku. Jedná se o přítomnost korozních zplodin na povrchu litinového kroužku před reakcí s hliníkem. Plošná EDX analýza jemné, několik mikronů silné, první mezivrstvy u litinového kroužku také poukazuje na převážnou přítomnost oxidů železa s doprovodným množstvím Ni, Cu a Cr , které pocházejí z litinového kroužku. Je zřejmé, že tato jemná vrstva brání pronikání hliníku do litinového kroužku a jsou potlačeny difúzní procesy mezi litinovým kroužkem a hliníkovou taveninou. Jak lineární záznamy, tak i bodové EDX analýzy v oblasti dobrého propojení dokazují značné rozrušení Fe materiálu pomocí Al taveniny a vznik difúzně propojené vrstvy o tloušťce 110 – 130 µm. Je pravděpodobné, že k nepropojení mezi litinovým kroužkem a hliníkovou taveninou dochází v důsledku přítomnosti korozních zplodin (oxidy železa) na povrchu litinového kroužku. Je proto potřeba povrch kroužků před namáčením do slitiny hliníku očistit od korozních zplodin. Literatura [1] MONDOLFO L.F.: Aluminium Alloys, Structure and Properties, Butterworths, London GB, 1979 [2] LUKÁČ, I.; MICHNA, Š.: Colour Contrast, Strukture and Defects in Aluminium and Aluminium Alloys , 168 str., 2001, Cambridge international science publishing GB, ISBN 1 898326 70 3 [3] BAJCURA M., MICHNA Š., LUKÁČ I. : Nové poznatky o struktuře tvářené slitiny AlSi12CuMgNi (AA 4032), Archiwum odlewnictwa, Katovice 2006, Poland [4] MICHNA Š., MAJRICH P. .: Nové poznatky o struktuře slitiny AlSi12CuMgNi (Transactions of the VŠB – Technical Univezity of Ostrava, Metallurgical series 1/2007, str. 163 –173, ISBN 97880-248-1748-0, ISSN 1210-0471)
Recenze: Doc. Ing. Rudolf Kořený, CSc. Prof. Ing. Karel Stránský, DrSc.
_____________________________________________________________________________________________
42
