MODELLFÉM ÖTVÖZET FEJLESZTÉSE PRÓBAÖNTÉSEK TAPASZTALATI ALAPJÁN DEVELOPMENT OF ALLOYS FOR MINIATURES BY EXPERIMENTAL CASTINGS

Átírás

1 Anyagmérnöki Tudományok, 37. kötet, 1. szám (2012), pp MODELLFÉM ÖTVÖZET FEJLESZTÉSE PRÓBAÖNTÉSEK TAPASZTALATI ALAPJÁN DEVELOPMENT OF ALLOYS FOR MINIATURES BY EXPERIMENTAL CASTINGS TAKÁCS KATALIN TÜNDE 1, VLASZÁK MIHÁLY 1, MAROSI LÁSZLÓ 1, BARKÓCZY PÉTER 2, KÁLLAI KINGA 2 1 Metalloglóbus Fémöntő és Kereskedelmi Kft Budapest, Sírkert út 2-4. takacs@mtgfemonto.hu 2 Miskolci Egyetem, Anyagtudományi Intézet 3515 Miskolc-Egyetemváros fembarki@uni-miskolc.hu Napjainkban egyre népszerűbb az ólomfigurák házi öntése. Ehhez több gyártó kínál keménygumi öntőformákat és modellfémeket. A Metalloglóbus Fémöntő és Keresedelmi Kft. fejlesztési munkájában igyekszik kidolgozni több modellfém ötvözetet, amelyek az adott felhasználók különböző igényeit ki tudják elégíteni. A fejlesztési folyamat egyik legfontosabb eleme, amikor elkészül a termék, és az ólomfigurák vizsgálata alapján következtetünk az ötvözetek alkalmazhatóságára. Cikkünkben ennek a lépésnek az eredményeiről számolunk be. Kulcsszavak: modellfém, ötvözet fejlesztés, öntés. The homemade miniature casting is become more popular in these days. For the casting more manufacturer offer casting moulds from hard plastics and metals. The Matalloglobus Fémöntő és Kereskedelmi Ltd. develop more alloys for miniatures, which meet the requirements of the different customers. The most important step of the development process to produce some miniature from the alloys and test the applicability of the alloys based on the properties of the miniatures. This article shows the results of this step of the alloy development. Keywords: miniature, alloy development, casting. Bevezetés Korábbi publikációinkban beszámoltunk az ón-ólom-bizmut-antimon ötvözetrendszer vizsgálatáról [1]. Vizsgálataink célja a megfelelő modellfém ötvözet kidolgozása, ami alkalmas hobby célú otthoni ólomfigura öntésre. Vizsgáltuk az ötvözetek kristályosodásának kezdő és befejező hőmérsékletét, a kristályosodás menetét, a kristályosodott fázisokat és szövetszerkezetet. Ezekből levont következtetéseink azonban nem elegendők ahhoz, hogy megállapítsuk a megfelelő ötvözetet, hiszen a hobby célú otthoni munka kevésbé kontrollált körülmények között zajlik, mint egy ipari eljárás. A modellfém ötvözetek tesztelésének egyik fontos lépése, a formaöntés reprodukálása, szimulálva a hobby célú eljárást. Ehhez kiválasztottunk egy figurát és a hozzá tartozó kereskedelmi formát. A választásunk alapja, hogy a minta tartalmazzon öntés szempontjából kritikusnak mondható szelvényeket, hogy a formakitöltő képesség szemléletesen vizsgálható legyen. Mindegyik ötvözetből elkészítet-

2 404 Takács K. T. Vlaszák M. Marosi L. Barkóczy P. Kállai K. tük a figurát, majd különböző, a felhasználás szempontjából fontos (szilárdság, formatöltés, festhetőség) tulajdonságát mértük illetve leírtuk. A következőkben ezeket az eredményeket mutatjuk be. A vizsgálatok alapján behatároljuk az egyes felhasználási területekhez illeszkedő ötvözeteket. 1. Vizsgált ötvözetek és vizsgálati eljárások A Metalloglóbus Fémöntő és Kereskedelmi Kft. kísérleti gyártásban különböző összetételű ólom-ón-bizmut-antimon ötvözeteket gyártott az 1. táblázatban szereplő adatoknak megfelelően. Mindegyik ötvözetből 20kg minta készült, amelyet kis tömbök formájában öntöttek az ötvözés után. Az elkészült ötvözetek összetételét emissziós spektroszkópiával ellenőrizték. Az ötvözetek további vizsgálatához kiválasztottunk a Prince August formagyártó lovas futár figuráját (1. ábra) [6]. Ennek a kereskedelmi forgalomba lévő keménygumi mintájába öntöttük az ötvözeteket. A minta anyaga maximálisan 400 C terhelést bír el károsodás nélkül. A legmagasabb olvadáspontú ötvözet is 300 C alatt olvad. Ennek megfelelően a figurákat kerámia öntőtégelyben megolvasztott ötvözetből öntöttük, mikor az olvadék elérte a 300 C, 325 C, 350 C, 375 C és 400 C-t. Az öntés során betartottuk a forma gyártója által előírt műveleti utasításokat. Az öntvény megszilárdulása és lehűlése után az elkészült figurát vizuálisan ellenőriztük és lefotóztuk. Kritikus helynek bizonyult a futár arca és keze között lévő trombita szakasz, és a ló farka, ahol a leggyakrabban jelentkezett kitöltetlenségi probléma. Regisztráltuk azt az öntési hőmérsékletet, ahol ezektől a hibáktól mentes, jól kitöltött figurát kaptunk. Ugyancsak vizsgáltuk a figura felületét. Két nagy csoportot tudtunk elkülöníteni. Az egyik csoportban a figurák felülete sima és fényes, a másik csoportban a felület matt volt. Megfigyelhető, hogy amikor a kritikus helyeken is megfelelő öntvényt kaptunk, ott a figura felületén sem lehetett hibákat találni. 1. ábra. A kiválasztott ólomfigura és a kritikus helyek Az öntés után kézzel letörtük a beömlő rendszert, amely a futár tarkójánál ás a nyereg mögött csatlakozott a figurához (8. ábra). A töret felületet Zeiss Stereo Discovery V1.2 mikroszkóppal 8x nagyításban fotóztuk és vizuálisan értékeltük. A töretfelületek jellege szerint két csoportosítási szempont alapján 4 csoportba tudtuk sorolni a töretfelületeket. Vizsgáltuk, hogy a töret felület szívós-e vagy rideg törés eredménye. Ezt a nyereg mögé csatlakozó rész töretfelületéből állapítottuk meg. Vizsgáltuk, hogy a töretfelület nagy

3 Modellfém ötvözet fejlesztése próbaöntések tapasztalati alapján 405 durva, vagy kicsi finom elemekből áll-e? Ezt a figura tarkójához csatlakozó rész töretfelületéből állapítottuk meg. Minta Kémiai összetétel (w%) sorszáma Pb Sn Bi Sb Zn táblázat. A vizsgált ötvözetek összetétele A beömlőrendszerből mintát vettünk, amiből csiszolatot készítettünk. A csiszolaton Tukon Wollpert 2000B keménységmérő berendezéssel HV0.1 keménységet mértünk.

4 406 Takács K. T. Vlaszák M. Marosi L. Barkóczy P. Kállai K. 2. Eredmények A keménység értékek elemzésénél az összetevők mennyiségének függvényében bizonyult célszerűnek az ötvözetek értékelése (2. ábra). 40 Sn+Sb>90w% Sn+Sb<90w% 30 HV HV Bi, w% Sn, % a) b) Sn >30w% HV HV Sn <30w% Pb, w% Sb, w% c) d) 2. ábra. A keménységmérés eredményei Az értékekből látható, hogy 10 és 40 HV0.1 közé estek az értékek és az öntvények jelentős hányada 20 HV1 értéknél kisebb keménységgel rendelkezik. A 2. a) ábra alapján látható, hogy az ólom mennyiségének növekedésével a keménység kissé csökken. Ezzel ellentétben az ón tartalom növelése a keménységet kis mértében növeli [2. b) ábra]. Az is megfigyelhető, hogy az ón tartalom növelésével sokkal határozottabban jelentkezik a keménység növekedés. Korábbi munkánkban [1] bemutattuk, hogy az ón önálló vagy antimonnal alkotott szilárd oldat fázisban található a kristályosodott szerkezetben, amíg az ólom leginkább a bizmuttal alkotott ε fázist is tartalmazó eutektikumban található. A bizmut [2. c) ábra] és az antimon [2. d) ábra] mennyiségének hatását vizsgálva az öntvényeket két csoportra oszthatjuk. Az antimon mennyiségét vizsgálva az egyik csoport keménysége kisebb mértékben, amíg a másik csoport esetében sokkal erősebben emelkedik az antimon tartalom függvényében. Lineáris osztályozó egyenessel elválasztva a két csoportot, azt állapíthatjuk meg, hogy a kevéssé keményedő csoportban az ón mennyisége 30w% alatt, az erősebben keményedő csoportban 30w% fölött van. Ennek magyarázata, hogy az ón jelentős mennyiségű antimont képes oldani, ami az ón szilárd oldat keménységét jelentősen növeli. Kis mennyiségű ón jelenlétében ez a keményítő hatás kevésbé érvé-

5 Modellfém ötvözet fejlesztése próbaöntések tapasztalati alapján 407 nyesül és képződik az ón antimon rendszerben lévő SnSb vegyület fázis, ami csökkenti az ónban gazdag szilárd oldat antimon tartalmát [4]. A bizmut tartalom hasonló elemzésekor [2. a) ábra] azt találjuk, hogy az egyik csoportban a bizmut tartalom növekedésével a keménység csökken. A másik csoportban azonban növekszik. Az osztályozó egyenes elemzésekor azt kapjuk, hogy a keményedő csoportban az ón és antimon mennyiségének összege 90w% fölötti, azaz ezek a nagy óntartalmú ötvözetek. Ez a jelenség abból adódik, hogy a kisebb ón tartalmú ötvözeteinkben jelen van az ólom, ami jóval több bizmutot képes oldani, mint az ón, és a bizmut tartalom növekedésével egyre nagyobb mértékben kristályosodik az ólom bizmut eutektikum, ezzel csökkentve az ötvözet keménységét. Ellenben ólom nélkül a bizmut az ónban dús szilárd oldatot keményíti. 3. ábra. Kitöltési hibás öntvény (balra, 1. ötvözet 325 C-ról öntve) és jó öntvény (jobbra, 10. ötvözet 350 C-ról öntve) Az öntvények formakitöltő képességét vizsgálva azokat az öntési hőmérsékleteket ábrázoltuk az összetétel függvényében a Pb-Sn-Bi koncentrációkat jelző háromszög diagramban, ahol teljesen ép figurát kaptunk. A továbbiakban ezt nevezzük minimális öntési hőmérsékletnek. Az Sn koncentráció helyett az Sn+Sb mennyiséget ábrázoltuk az előző bekezdésben említettek alapján. Az ötvözetek könnyebb elemzése miatt a diagramban benne hagytuk a primer fázisok kristályosodását határoló peritektikus, illetve eutektikus folyamatokat jelző fázisdiagram vonalakat [5, 6]. Ebből az elemzésből megállapítható, hogy az eutektikus pont környékén lévő ötvözetek minimális öntési hőmérséklete, ahol épp figurát kaptunk, a legkisebb (300 C). Távolodva ettől a ponttól a minimális öntési hőmérsékletek növekednek. Ez összhangban áll az ötvözetek likvidusz hőmérsékletének változásával, hiszen az eutektikus ponttól távolodva az is jelentősen növekszik. Látható, hogy az ε fázis területében lévő ötvözetek ugyancsak alacsony minimális öntési hőmérséklettel rendelkeznek. A nagy ón és antimon tartalmú ötvözetek magas minimális öntési hőmérséklettel rendelkeznek, ami a magas olvadáspontjuknak köszönhető. A töretek jellegét tekintve (5., 6. ábra) látható, hogy a legtöbb esetben ridegen törtek az ötvözetek. Szívós töret leginkább az ε fázis kristályosodásával szilárduló ötvözetekben fordul elő. Ezen felül csak néhány alacsony olvadáspontú ötvözet mutat szívós törést. A figurák további feldolgozása szempontjából a finom töretű öntvény kívánatos.

6 408 Takács K. T. Vlaszák M. Marosi L. Barkóczy P. Kállai K. 300 C 325 C 350 C 400 C Bi (w/w) (Sn) Sn + Sb(w/w) (Bi) ε Pb (w/w) 4. ábra. Az ötvözetek minimális öntési hőmérsékletei a koncentrációjuk függvényében (Pb) a) b) c) d) 5. ábra. Rideg, finom szerkezetű töret ((a), (b), 10. ötvözet 350 C-ról öntve) és szívós durva szerkezetű töret ((c), (d), 29. ötvözet 350 C-ról öntve)

7 Modellfém ötvözet fejlesztése próbaöntések tapasztalati alapján 409 szívós rideg Bi (w/w) (Sn) Sn + Sb(w/w) (Bi) ε Pb (w/w) (Pb) 6. ábra. A töretfelületek jellege a koncentráció függvényében az összes öntési hőmérsékleten készült mintát figyelembe véve finom durva Bi (w/w) (Sn) Sn (w/w) (Bi) ε Pb (w/w) (Pb) 7. ábra. A töretfelületek finomsága a koncentráció függvényében az összes öntési hőmérsékleten készült mintát figyelembe véve

8 410 Takács K. T. Vlaszák M. Marosi L. Barkóczy P. Kállai K. A töretfelület finomságát is ábrázoltuk a háromszög diagramban (7. ábra). A finomságot vizuálisan ellenőriztük, és két csoportra osztottuk a mintákat: finomra és durva töretfelületre. Látható a diagramban, hogy finom szerkezetet biztonságosan akkor kapunk, ha az ötvözetben ε fázis kristályosodása bekövetkezik eutektikus formában. Ez a képződő eutektikum kialakuló finom szerkezetének köszönhető. A felület minőségét a festhetőség miatt vizsgáltuk. Megállapítottuk, hogy a jó öntvények két csoportra oszthatók. Az egyik csoportba eső figurák felülete matt, amíg a másik csoportba eső figurák felülete fényes sima (8. ábra) 8. ábra. A matt (balra) és a sima fényes (jobbra) felületű figurák matt fényes Bi (w/w) (Sn) Sn (w/w) (Bi) ε Pb (w/w) 9. ábra. A felület jellege a koncentráció függvényében az összes öntési hőmérsékleten készült mintát figyelembe véve (Pb)

9 Modellfém ötvözet fejlesztése próbaöntések tapasztalati alapján 411 Látható, hogy fényes sima felületet a nagy ón tartalmú, a majdnem tiszta ón-antimon ötvözetek és a közel eutektikus ötvözetek között találunk. A többi ötvözet esetében matt felületet kapunk (9. ábra). Mindegyik ötvözet 400 C-ról öntött figuráját különböző gyártóktól származó modellfestékekkel megfestettük (10. ábra). A festés során azt tapasztaltuk, hogy mindegyik ötvözetből készült figura jól festhető volt, a felület minőségétől függetlenül. 10. ábra. A 8. ábrán látható figurák festés után Összegzés Munkánk során különböző összetételű ón-ólom-bizmut-antimon ötvözeteket készítettünk, amelyekből ugyanazt az ólomfigurát öntöttük különböző öntési hőmérsékleteket alkalmazva. Vizsgáltuk az ötvözetek formakitöltését, az ötvözetek keménységét, a figura felületét és festhetőségét, valamint a beömlőrendszer letörésekor keletkező töretfelületet. Ezek alapján értékeltük az ötvözeteket. A keménységértékek vizsgálatakor tapasztaltuk, hogy az ólom tartalom csökkenti az ón tartalom növeli a keménységet. Ha az ón tartalom 30 w%-nál nagyobb, akkor az antimon tartalom növelése erősebben növeli a keménységet, mint 30 w%-nál kisebb ón tartalmú ötvözet esetében. Ebből következik, hogy ha a figurák szilárdságát biztosítani kívánjuk, akkor 30 w%-nál több ónt célszerű adagolni, és a keményítést kevés hozzáadott antimonnal meg lehet oldani. Nagy ón-tartalmú ötvözetek esetében a bizmut tartalom növekedésével a keménység növelhető, kis ón-tartalmú ötvözeteknél a bizmut tartalom növekedése a keménységet csökkenti. Ha nagy ón-tartalommal dolgozunk, abban az esetben is célszerűbb antimonnal keményíteni. A kereskedelmi formák maximum 400 C-t bírnak ki, ezért ennél kisebb hőmérsékletű olvadékot célszerű bele tölteni, hogy a forma ne károsodjon. Az eutektikus pont környékén és az ε felületen lévő ötvözetek azok, amelyek alacsony öntési hőmérsékleten is jól kitöltik az öntőformát. A töretfelületet vizsgálva megállapíthatjuk, hogy az e felület peritektikus pontja körül lévő ötvözetek biztosítanak finom szerkezetet és szívós töretet. Ez a további feldolgozás szempontjából kedvezőbb, hiszen nem törnek el azonnal a véletlenül meghajlított öntvényrészek.

10 412 Takács K. T. Vlaszák M. Marosi L. Barkóczy P. Kállai K. A festhetőséget vizsgálva elmondható, hogy nincs jelentős különbség az ötvözetek között. Mindegyik figura jól festhető volt. Eredményeink alapján megállapíthatjuk, hogy az felülten a peritektikus pont közelében találhatók a hobby célú ólomfigura öntéshez legjobban alkalmazható ötvözetek. Köszönetnyilvánítás A cikkben bemutatott vizsgálatot a TÁMOP B-10/2/KONV projektek támogatta. Irodalom [1] Vlaszák Mihály, Takács Katalin Tünde, Marosi László, Barkóczy Péter: Alacsony olvadáspontú ötvözetek kristályosodásának vizsgálata, VIII. Országos Anyagtudományi Konferencia, október. 11. Balatonfüred [2] J. F. Smith, Lead Alloys: Alloying, Properties, and Applications, Encyclopedia of Materials: Science and Technology, pp (2001) [3] Handbook on Lead-bismuth Eutectic Alloy and Lead Properties, Materials Compatibility, Thermal-hydraulics and Technologies, Nuclear Energy Agency, OECD (2007) [4] W. J. Boettinger and U. R. Kattner, Metall. Mater. Trans. A, 33A (2002) [5] S. W. Yoon and H. M. Lee, CALPHAD 22 (1998) [6] K.-W. Moon, W.J. Boettinger, U. R. Kattner, C. A. Handwerker and D.-J. Lee, J. Electron. Mater., 30 (2001) [7]