Investigations to reducing inclusion content in melt Aluminium

MultiScience - XXXI. microcad International Multidisciplinary Scientific Conference University of Miskolc, Hungary, 20-21 April 2017 ISBN 978-963-358-132-2 Investigations to reducing inclusion content in melt Aluminium Bubenkó Marianna 1, Tokár Monika 2, Fegyverneki György 3 1 MSc kohómérnök hallgató, 2 tanársegéd, 3 címzetes egyetemi docens 1,2,3 Miskolci Egyetem, Műszaki Anyagtudományi Kar Öntészeti Intézet ABSTRACT Kutatómunkánk során különböző Al-Si alapú ötvözetekkel foglalkoztunk és feladatunk célja az volt, hogy megvizsgáljuk a változtatott kísérleti körülmények milyen hatással vannak az ötvözet olvadékok zárványtartalmára. Két különböző gyártótól származó tisztítósó gáztalanító kezelés közben történő alkalmazását hasonlítottuk össze AlSi7MgCu0,5 ötvözet esetén. Az olvadék zárványosságának minősítő vizsgálatához K-próbák öntését és kiértékelését végeztük el. A K-próbákból egy technológiai lépéshez tartozóan több darabot is öntöttünk, hogy a kiértékeléskor reálisabb eredményeket kapjunk. A kísérletek során a K-próbákon kívül sűrűség-index (Dichte-index) próbákat öntöttünk. A sűrűség-index próbákat az olvadék oldott hidrogéntartalmának kimutatására alkalmaztuk. 1. BEVEZETÉS Az olvasztási és olvadék-kezelési technológiára vonatkozóan elsődleges szempont az olvadék zárvány-tartalmának csökkentése. Az öntvényhibák a mechanikai tulajdonságok romlását eredményezhetik, továbbá a zárványok a megmunkáló szerszámokat elronthatják. Az olvadék kezelésének optimalizálásával az a célunk, hogy elérjünk egy olyan olvadék tisztasági minőséget, amellyel az olvadék zárványtartalma minimálisra csökkenthető. Megvizsgáltuk a különböző arányban beállított visszatérő belső selejt hatását az olvadék zárványosságára, valamint különböző tisztítósók hatását hasonlítottuk össze a gáztalanítás közben történő adagolás esetén. A nemfémes szennyezők jellemzően oxidok, nitridek és más intermetallikus fázisok, melyek később önálló fázisként jelentkeznek és így a fémes szövet homogenitását károsítják. Az oxidok negatív hatásának, de legfőképpen a finom oxidhártyáknak az öntvények külső bemetszési érzékenységére gyakorolt hatása következtében az alkatrészek szilárdsága jelentősen lecsökken. Ahhoz, hogy az öntvényekkel szemben támasztott magas minőségi követelmények teljesüljenek, elengedhetetlen, hogy a szennyeződések olvadékba, a későbbiekben pedig az öntvényekbe jutását megakadályozzuk. Ehhez fontos az olvadék minőségének megítélése az öntés előtt [1]. A zárványok jelenléte a szövetszerkezetben feszültséggyűjtő helyként szolgálhat, ami a szilárdsági tulajdonságok csökkenéséhez vezethet. Az alumínium olvadékban a zárványok leggyakrabban oxidhártyák és finom diszperz oxid zárványok formájában vannak jelen [2]. A zárványok és egyéb hidrogén porozitások rontják az öntvény mechanikai tulajdonságait. Ilyen hibás területeken, ha az öntvényt nyomás vagy más erőbehatás éri, feszültség keletkezik és a mintában apró repedések jönnek létre, amelyek nagyobb károsodásokhoz is vezetnek [3]. DOI: 10.26649/musci.2017.038

A zárványok számos típusa megjelenhet az olvadékban. A leggyakoribb zárvány típusok az oxidok és hártyák, filmek. Ezek leginkább közvetlen oxidációs folyamat során alakulnak ki, illetve vízgőzzel való reakciójuk során [1];[3]. Járműipari öntvények gyártásakor kiemelkedően fontos az alapanyagként használt ötvözet minősége, melyet az olvadék előkészítésével jelentős mértékben javíthatunk. Az Al-Si alapú öntészeti ötvözetek minősége összefügg a bennük előforduló szennyezőelemek mennyiségével. Az öntvénygyártásban egyre nagyobb arányban használnak fel szekunder (hulladékfémből gyártott) alapanyagot, melyekben az előforduló szennyezőelemek hatása nem kellően ismert [4]. 2. A gáztartalom csökkentése inert gázos átbuborékoltatással Gázöblítéses fémtisztítás céljából elsősorban nitrogént, argont és klórt használnak. Az esetlegesen jelen lévő oxidok az öblítő effektus miatt a felszínre kerülnek, ahol célszerűen felvitt sórétegben megkötődnek. A gáz bevezetése túlnyomórészt grafitcsöveken keresztül forgó rotoros kezeléssel történik. A minél nagyobb lehetséges diffúziós felület elérése érdekében minél több és minél kisebb buborék kell legyen, hogy a fémolvadékba jutva felszálljon [1];[2]. A kísérleti folyamatoknál alkalmazott rotorfejes fémtisztító berendezésnél felülről inert gázt adagolnak a rotorszár irányába, ahonnan a keverőfej (rotorfej) alján lévő kilépőnyílásokon jut az olvadékba. A forgó rotornak az a szerepe, hogy minél finomabb és egyenletesebb gázeloszlást továbbá, homogén buborék arányt biztosítson a teljes olvadékban. A módszer széles körben elterjedt a hidrogén hatékony eltávolításában az alumínium olvadékból [3];[5];[6]. 3. A zárványtartalom csökkentése a gáztalanítás közben adagolt só-granulátomokkal A kísérleti munkánk alatt a zárványok kimutatására és vizsgálatára a K-mold próbát, valamint az oldott hidrogéntartalom meghatározására a sűrűség-index mérési módszert alkalmaztuk. A K-próbákat a zárványok kimutatása céljából használtuk, az eltört próbák felületén sztereo mikroszkóp segítségével megszámoltuk a hibákat, majd az (1)-es összefüggést alkalmazva kiszámítottuk a K-értékeket. A K-értékek az olvadéktisztaság jellemzésére szolgáló viszonyszám. Ezt követően elvégeztük a K-érték tartományok szerinti olvadék minősítést, amely az 1. táblázatban látható [2]. Számítása: K = S n (1) ahol: S = a töretfelületeken összeszámolt zárványok száma n = a töretfelületek száma (n=4 db) [2].

1. táblázat - Olvadék minősítése a K-értékek besorolása szerint [2] Besorolás K-érték Olvadék minőség A < 0,1 Nem szennyezett B 0,1 0,5 Viszonylag tiszta C 0,5 1,0 Bizonyos mértékig tiszta D 1 1,0 2,0 D 2 2,0 5,0 Szennyezett D 3 5,0 10 E > 10 Nagyon szennyezett A sűrűség-index mérési vizsgálat a formaöntödékben gyakran alkalmazott gyártásközi közvetett szakaszos eljárások közé tartozó gyártásközi vizsgálati módszer. A sűrűség-index mérés során kapott mérőszám értéke információt nyújt az olvadékkezelés hatékonyságáról. A sűrűség-index érték meghatározható a 80 mbar nyomáson megszilárdult próbatest sűrűsége alapján. A minősítés az elméleti sűrűséghez viszonyítva történik [2]. A próbatest lehűlését követően meg kell határozni a próbatest sűrűségét (a próbatest sűrűségét az Archimédes-törvény alapján határozzuk meg) (1. ábra) [2]. 1. jelölés: Mérleg tárgyasztala; 2. jelölés: Desztillált vízben elhelyezett próbatároló kosár 1. ábra - Sűrűség méréshez használt MK 2200 típusú precíziós mérleg [2] A sűrűség-index értékét (DI ) a következő képlet szerint határoztuk meg: DI = D 1 D 2 100 () (2) D 1 ahol: DI: sűrűség-index () D2: 1 bar nyomás levegőn az MK3VT típusú készülék erre a célra kialakított fém próbatest tartóján kristályosodott és hűlt próbatest sűrűsége (g/cm 3 ) (referencia sűrűség) D3: 80 mbar nyomáson az MK3VT típusú készülékben kristályosodott és hűlt próbatest sűrűsége (g/cm 3 ) [2]. 4. KÍSÉRLETI KÖRÜLMÉNYEK, EREDMÉNYEK BEMUTATÁSA AlSi7MgCu0,5 ötvözet A és B tisztítósók hatásának összehasonlítása A kezelősó adagolásának a célja, hogy az olvadékban lévő alumínium-oxid zárványok kisebb sűrűségű, más vegyület formájában könnyebben eltávolíthatókká váljanak. Ezeknek az

olvadékkal nem nedvesítő jellege miatt könnyebben felúsznak a felszínre, a nitrogén buborékokkal vagy a nélkül is. A kétféle tisztítósó, amivel dolgoztunk: az A jelölésű só, a másik a B jelölésű só. Mindkét tisztítósó alkalmazásakor 15-15 adagból vettünk technológiai próbatesteket. Szintén K-próbához, sűrűség-index méréséhez, érempróbához és termikus analízishez öntöttünk próbadarabokat. K-próbák eredményei: A két tisztítósóval végzett kísérletek során vett K-próbák átlag eredményeit ábrázoltuk diagramban technológiai lépésenként (2. ábra). 2. ábra Kétféle tisztítósó K-értékeinek összehasonlítása Az A és B tisztítósóval kezelt olvadékból öntött próbák zárványtartalma az értékek alapján látszik, hogy alig tér el egymástól. Látható mindkét tisztítósó esetében, hogy a gáztalanítás után a zárványtartalom csökken. Ez azt jelenti, hogy a tisztítósók alkalmazása hatásos, a gáztalanítás utáni K-értékek eredményei csökkentek, a zárványtartalom alacsonyabb lett a tisztítósókkal végzett olvadékkezelések után. A piros vonal a szennyezettségi mértéket jelöli, a K-tartományban ez a besorolási szám a szennyezettségi szintet eléri (1. táblázat szerint). De az értékek láthatóan jobb eredményeket mutatnak, amiket a következő pontokban alá is támasztunk mechanikai tulajdonságok vizsgálati eredményeivel. Sűrűség-index eredmények: A K-próbák mintavételével párhuzamosan sor került az oldott hidrogéntartalom meghatározásához szükséges sűrűség-index minták vételére is. A 3. ábrán a sűrűség-index eredményei láthatóak. A sűrűség-index eredmények az előírt értéket nem haladják meg. A rotoros gáztalanító kezelés hatásos volt a kísérlet folyamán, gáztalanítás után jóval határértéken belül maradnak a sűrűség-index értékek.

Mechanikai tulajdonságok vizsgálata: 3. ábra Sűrűség-index eredményei Azokból az adagokból, amelyikből a kísérleti mintákat vettük öntvényeket választottunk ki az üzemben. Ezekből a hőkezelés után kimunkált szakítópróbatesteken lettek meghatározva a folyáshatár, szakítószilárdság, nyúlás értékeket és a kísérleti öntvényeken a Brinellkeménység. A 2. táblázatban az öntvényből kimunkált szakítópróbatestek folyáshatár, szakítószilárdság, nyúlás és az öntvényeken mért Brinell-keménység eredményeit mutatjuk be. A második oszlopban az előírt min. és max. értékeket is feltüntettük. 2. táblázat Öntvényekből kimunkált próbatestek mechanikai tulajdonságai és előírt határértékei AlSi7MgCu0,5 ötvözet Előírás A típusú só B típusú só Folyáshatár (Rp 0,2 [MPa]) min. 120 168,9 168,1 Szakítószilárdság (Rm [MPa]) min. 200 234,6 234,9 Brinell keménység 70-90 79,4 79,5 Nyúlás (A []) min. 1,5 9,94 10,33 Az eredményekből azt a következtetést vonhatjuk le, hogy a két tisztítósó alkalmazásával a mechanikai tulajdonságok értékei majdnem teljesen megegyeztek. A Brinell-keménység értékek az előírt határértéken belül maradtak, a többi eredmény pedig a min. értéken felül volt. A szakítópróbatestek nyúlás vizsgálati eredményei alapján látható, hogy az előírás kb. tízszeresét érték el. Ez az eredmény annak köszönhető, hogy az öntvények szövetszerkezetében nincsenek zárványok, ezért mutatnak ilyen magas nyúlási százalékot. Ha magas lenne az öntvényekben a zárványtartalom, akkor nem valósulhatott volna meg ilyen érték. Zárványok vizsgálata scanning (pásztázó) elektronmikroszkóppal (SEM) A K-próbák törési felületén található zárványok eltérő típusairól sztereo- és pásztázó elektronmikroszkópos vizsgálatot végeztünk. A pásztázó elektronmikroszkóppal történő vizsgálathoz a kísérlet sorozatból kiválasztottunk tipikus zárványos K-mold próbákat.

Az A típusú tisztítósóval végzett kísérletnél a hőntartó kemence kiforgatása után a tégely alján maradt olvadékból öntött K-mold próba töretfelülete a 4. ábrán látható. Az 5. ábrán a töretfelületen lévő zárvány elektronmikroszkópos képét (200X-os nagyításban) mutatjuk be. 4. ábra K-próba szennyezett töretfelülete sztereo mikroszkópon 5. ábra SEM felvétel a K-próba szennyezett töretfelületéről, N=200x Az 5. ábrán lévő zárványos terület SEM elemzési eredménye a 3. táblázatban látható. 3. táblázat K-mold próba töretfelületen lévő zárvány SEM elemzés eredménye Elemek (tömeg) Átlag terület C N O Mg Al Si Cl Cu Total 2,58 8,75 5,97 1,8 68,3 11,07 0,15 1,37 100 Az A típusú tisztítósó alkalmazásakor öntött K-próbák töretének SEM vizsgálata alapján megállapítható, hogy a zárványos részen magas az oxigén-, a nitrogén- és a karbontartalom, Al- és Mg-oxid zárványok képződtek. A B típusú tisztítósóval kezelt kísérleti folyamatnál a tégely aljából (miután a hőntartó kemence kiforgatott) öntött K-próba törési felülete látható a 6. ábrán. A 7. ábrán a zárványról készített elektronmikroszkópos felvétel látható (500X-os nagyításban), melynek SEM elemzési eredménye a 4. táblázatban található. 6. ábra K-próba szennyezett töretfelülete sztereo mikroszkópon 7. ábra SEM felvétel a K-próba szennyezett töretfelületéről, N=500x 4. táblázat Összetétel elemzés eredményei átlag terület vizsgálata alapján Elemek (tömeg) Átlag terület C O Mg Al Si Cu Total 1,1 8,74 3,3 69,25 16,53 1,09 100 A 4. táblázatban lévő eredmények szerint az oxigén tartalom arra utal, hogy az Al- és Mgoxid zárvány található a töretfelületen. A Mg tartalom jelenléte okozhatja a vastag poliéderes oxid réteget.

Megállapítható, hogy az A és a B típusú tisztítósóval kezelt olvadékok zárványosságának kimutatására szolgáló K-mold próbák töretén is Al- és Mg-oxid zárványok vannak. A tisztítósóval végzett kísérletek azt mutatják, hogy a rotoros gáztalanító kezelés közben a zárványtartalom is csökkent. Ezt a megállapítást nem csak a K-próbák alapján, illetve sűrűség-index eredményekkel lehet alátámasztani, hanem a gáztalanítás után leszedett salak minták vizsgálati eredményei is bizonyítják. Az A és B típusú tisztítósó alkalmazása során, gáztalanítás után az olvadék felszínéről leszedett salak minták porszerűek voltak és az alumínium tartalmuk kisebb a sóadagolás nélkül végzett kezelések salakjában lévőnél. A 8. ábrán látható a gáztalanítás után leszedett A típusú tisztítósó alkalmazásakor keletkezett salak mintáról készített 1000-szeres nagyítású SEM felvétel. A számokkal jelölt pontokhoz tartozó összetételt a táblázat tartalmazza. Próba A típusú tisztítósó Képpont Na, N, O, Mg, Al, S, Sr, Si, Cl, Mn, Fe, Total 1 0,29 0,51 4,62 1,55 47,23 0,55 0 44,91 0,35 - - 100 2 0,14 1,07 2,23 0,92 78,76 0,38 0 6,61 0,29 2,69 6,91 100 8. ábra A típusú tisztítósó alkalmazásakor, gáztalanítás után olvadék felszínéről leszedett salak minta és összetétel elemzése SEM felvételen A 9. ábrán látható a B típusú tisztítósó alkalmazásakor a gáztalanítás után leszedett salak mintáról készített SEM felvétel (25-szörös nagyítás) és a SEM elemzés terület átlag elemzési eredménye. Próba B típusú tisztítósó Képpont C, O, Na, Mg, Al, Sr, S, Cl, K, Total Átlag 8,64 38,01 18,39 3,34 9,50 2,05 0,30 14,76 5,00 100 9. ábra B típusú tisztítósó alkalmazásakor, gáztalanítás utáni olvadék felszínéről leszedett salak minta és SEM elemzés eredménye

A tisztítósóval végzett kezelésnél kapott salak többféle vegyületet tartalmaz. Az A típusú tisztítósóval végzett kezelésnél kapott salakban kevesebb oxidot és kloridot találtunk. A B típusú tisztítósó alkalmazásánál kicsi a salak alumínium-tartalma, viszont jelentős stronciumveszteséggel kell számolni. 5. ÖSSZEFOGLALÁS Az AlSi7MgCu0,5 ötvözet kezelésénél elvégzett kísérleti munka alapján összehasonlítottuk a kétféle tisztítósó hatását. Megállapítottuk, hogy az A típusú és a B típusú tisztítósó hatása az olvadék zárványtartalmára csak kis mértékben tér el egymástól. Mindkettő kezelősó alkalmazása esetén kisebb a zárványosság a gáztalanító kezelés után, mint a só adagolás nélküli kezelésnél. Mindkettő tisztítósóval végzett kísérletnél a felhasznált olvadékok K-értéke 2,0 alatt volt. A vizsgálatok igazolták, hogy a rotoros gáztalanítás alkalmazása során a hidrogéntartalom az előírt érték alá csökkent az olvadékban. A pásztázó elektronmikroszkóppal végzett vizsgálatok eredményei azt mutatják, hogy mindkét ötvözetnél végzett kísérleteknél a zárványok típusát tekintve, Al- illetve Mg-oxid zárványok keletkeztek. A B típusú tisztítósóval kezelt adagoknál klór mutatható ki a salakban, ami a tisztítósó túladagolásával hozható kapcsolatba. 6. IRODALMI ÁTTEKINTÉS [1] Szombatfalvy Anna: Járműipari öntészeti AlSi ötvözetek tulajdonságainak vizsgálata - Phd értekezés, 2012. [2] Dr. Jónás Pál: Könnyűfém öntészeti ismeretek tankönyv, 2011. [3] J. Gilbert Kaufman; Elwin L. Rooy: Aluminium Alloy Castings Properties, Process and Applications, ASM International, 2004. 50. oldal [4] Tokár Monika, Tóth Márta, Dr. Dúl Jenő, Dr. Fegyverneki György Szennyezőelemek változékonysága az öntészeti Al-Si-ötvözetekben BKL, Kohászat 145. évfolyam, 2012/5. szám 25. oldal [5] Foseco Products & Services, Non Ferrous Foundry, Metallurgical & Pouring Coveral System, Degassing Equipment & Metal Treatment Station, Foseco. com [6] John Brown: Foseco - Non-Ferrous Foundryman s Handbook, 1999. - 73-74. oldal "A cikkben/előadásban/tanulmányban ismertetett kutató munka az EFOP-3.6.1-16-00011 jelű Fiatalodó és Megújuló Egyetem Innovatív Tudásváros a Miskolci Egyetem intelligens szakosodást szolgáló intézményi fejlesztése projekt részeként a Széchenyi 2020 keretében az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg."