RESULTATE EN BESPREKING
4.1.1 METALLURGIESE ONDERSOEK
4.1.1.2 MlKROSTRUKTUUR VAN DIE GEELKOPERLEGERINGS
Die korrelgroottes van beide die materiale word nie op die betrokke ontwerpstekeninge gespesifiseer nie, maar die ontstekerdopmateriaalspesifikasie vereis 'n persentasie koudverwerking (26-30%) wat sal meebring dat baie klein korrelgroottes, indien die koudverwerking, gevolg deur spanningsverligting hittebehandeling by die korrekte temperatuur en tydsduur, verwag kan word.
Ontstekerdopmateriaal
Die korrelgroottes van die ontstekerdopmateriale, soos uiteengesit in Tabel 2, toon dat die korrelgroottes van die ontstekerdopmateriaal klein en van konstante grootte is. Die waardes, vir die monsters wat radiaal gesny is, wissel van 10-30um met 'n gemiddeld van
17pm, en die monsters wat aksiaal gesny is, van 20-45pm met 'n gemiddeld van 31pm (kyk Figuur 31). Die verhouding van die verlengde aksiale-korreldeursnee tot die radiale- korreldeursnee is 1:1,8. Tipiese mikrostrukture, soos gevind in die ontstekerdopmateriaal, word getoon in Figure 29 en 30.
Die rede vir die klein korrelgroottes in die mikrostruktuur kan toegeskryf word aan die groter mate van koudverwerking (26-30%) wat die CZ124-geelkoper ondergaan gedurende die vervaardigingsproses. Die spanningsverligting hittebehandeling, om van die interne spannings in die materiaal ontslae te raak, dra by tot die klein en nou band van korrelgroottes, asook die verlangde hoe vloeigrens in die materiaal.
Die voorgeskrewe verbruikerspesifikasie, asook die beter kwaliteitskontroles tydens die vervaardiging van die materiaal, dra dus by om 'n hoer kwaliteitproduk daar te stel.
Stermagasynmateriaal
'n Groot aantal van die stermagasynmateriaal se korrelgroottes kon nie met die ASTM metode bepaal word nie, aangesien die metode net geldig is vir aksi-simmetriese korrels (Kehl, 1949; 293). Die rede hiervoor kan gevind word in die mikrostruktuur van die stermagasynmateriaal wat met die eerste oogopslag nog dendrieteienskappe, sowel as Widmanstattenstrukture besit (kyk Figure 33 en 34). Die stermagasynmateriaalmonsters kan in drie groepe ingedeel word sover dit die mikrostruktuur betref naamlik, aksi- simmetriese mikrostrukture (kyk Figuur 32), gerekristalliseerde a+p mikrostrukture (kyk
Figuur 33) asook mikrostrukture met Widmanstattenstrukture teenswoordig (kyk Figuur 34).
TABEL 2 : GEELKOPERLEGERINGKORRELGROOTTES EN HARDHEDE
M o n s t e r n o m m e r
Korrelgroottes (Mm) Hardhede (VHN) M o n s t e r n o m m e r
Radiaal Aksiaal Radiaal Aksiaal
M1-1 20 35 162 159 M1-2 30 35 154 164 M2-1 15 20 162 165 M2-2 10 20 174 157 M3-1 20 30 157 172 M3-2 15 30 178 162 M4-1 20 45 164 157 M4-2 20 40 164 168 M5-1 20 35 175 165 M5-2 20 30 166 164 M6-1 10 25 171 165 M6-2 10 20 172 175 M7-1 10 30 160 172 M7-2 10 35 164 172 M8-1 15 35 164 172 M8-2 20 35 174 172 M9-1 15 30 166 175 M9-2 20 35 175 177 M10-1 20 35 166 165 M10-2 20 35 165 168 41
M o nste rn o m m e rs
Korrelgroottes (|jm)
Hardhede (VHN)
M o nste rn o m m e rs
Radiaal
Aksiaal
Radiaal
Aksiaal
S1-1 RS DS 138 139 S1-2 RS DS 139 140 S2-1 RS DS 139 141 S2-2 RS DS 141 143 S3-1 RS (WS) DS (WS) 152 152 S3-2 W S W S 165 143 S4-1 RS (WS) DS 143 147 S4-2 RS DS (WS) 146 150 S5-1 RS DS 153 145 S5-2 RS DS 146 141 S6-1 RS (WS) DS (WS) 158 141 S6-2 DS DS 156 140 S7-1 RS DS 148 148 S7-2 RS DS 151 144 S8-1 RS DS (WS) 148 143 S8-2 RS DS (WS) 154 150 S9-1 15 20 153 148 S9-2 RS DS 157 148 S10-1 RS DS 147 139 S10-2 RS DS 152 151 S11-1 15 20 161 165 S11-2 15 20 165 162 42
M o n s t e r n o m m e r s K o r r e l g r o o t t e s (pm) Hardhede (VHN) M o n s t e r n o m m e r s Radiaal A k s i a a l Radiaal A k s i a a l S12-1 25 35 146 151 S12-2 RS DS 153 158 S13-1 RS (WS) DS (WS) 148 151 S13-2 RS (WS) DS (WS) 158 160 S14-1 20 25 172 169 S14-2 15 25 162 156 S15-1 RS (WS) DS (WS) 154 162 S15-2 RS (WS) DS (WS) 156 162 S16-1 RS DS 153 148 S16-2 RS DS 152 143 S17-1 15 20 175 174 S17-2 15 25 (DS) 160 160 S18-1 15 20 154 156 S18-2 15 20 150 153 S19-1 10 15 172 172 S19-2 10 15 166 172 S20-1 RS DS 147 152 S20-2 RS DS 156 156 RS Rekristalliseerde a+p-korrelstruktuur. WS Widmanstattenstruktuur.
RS (WS) Rekristalliseerde a+p-korrelstruktuur met Widmanstattenstrukture wat ontwikkel.
FIGUUR 30: Verlengde ontstekerdopmateriaal mikrostruktuur: M4-1 aksiale verspreiding; geets met NH4OH, H202 !H20 (vergroting ±100x).
Die CZ121-geelkoper se vervaardigingsproses was duidelik nie goed beheer nie, of meer spesifiek, was die temperatuurbeheer tydens die proses nie goed nie en daarom die groot variasie in mikrostrukture. CZ121-geelkoper het na die gietproses hoofsaaklik 'n a+P'- mikrostruktuur. Tydens die ekstrusieproses word die gietstukke vooraf verhit tot !n
temperatuur van nie hoer as die a+p/p-fasegrens (faselyn CH, kyk Figuur 28), met ander woorde laer as 750°C (650°C-750°C). In die fasegebied is die mikrostruktuur !n uniforme
a+p-fase. Indien die gietstukke egter hoer as 750°C voorverhit word, los die a-fase op in die P-fase en 'n uniforme p-struktuur word dan verkry. Tydens warmverwerking presipiteer die a-fase uit die p-fase terwyl die legering stadig afkoel en 'n tipiese a+P- mikrostruktuur word weer verkry. Die Widmanstattenstrukture, wat vorm tydens vinnige
afkoeling, word verwerk terwyl die warmverwerking aan die gang is. Indien die afkoelingsproses na die voltooide warmverwerking vinnig is, vorm die Widmanstattenstrukture weer. ONTSTEKERDOPMATERIAAL (CZ124) 45 40 E3 5 £ 30 o ° 25 a: a £ 2° O * 15 — I — I 1
---■--■- ■"-; ■ ■ ■ ■--■--■--
A- - ■ - ■ - - --*-- -■-■ - ♦ - ■
i B A ■ ■ ▲ A A A A ■ A A A i A,__ + . . ±
A A- - -I 1 A A A A ▲ Korrelgroote Radiaal ■ Korrelgroote Aksiaal Gomiddeld GemiddeldI
▲ Korrelgroote Radiaal ■ Korrelgroote Aksiaal Gomiddeld Gemiddeld 10 MONSTER (M1-M10) 15FIGUUR 3 1 : Ontstekerdop, radiaal en aksiaal, gemete korrelgroottes.
Die mikrostrukture, wat met die eerste oogopslag na verwerkte dendrietstrukture lyk (kyk Figuur 33), is rekristallisasie van die oorspronklike a+(3-gietstruktuur wat plaasgevind het as gevolg van die ekstrusieproses. Die tempo van afkoeling tydens die warmverwerking sal dus die mate van rekristallisasie bepaal wat 'n diffusiebeheerde proses is. Die ekstrusierigting van die materiaal is duidelik sigbaar in die mikrostruktuur, soos aangedui in Figuur 33b.
Die mikrostrukture waarin Widmanstattenstrukture (kyk Figuur 34) voorkom, word met die vinnige afkoeling van die legering tydens en na die ekstrusieproses gevorm. In die geelkoperlegerings presipiteer a-fase uit by temperature van tussen 650°C en 7 5 0 X (Higgens,1993;381). Die temperature waarby die voorverhitting en die warmverwerking plaasvind, asook die afkoelingstempo's van die materiaal, is dus krities vir die voorkoming van Widmanstattenstrukture. Sodanige strukture is swak en bros (Higgens, 1993,254).
FIGUUR 32: a) S18-2 radiaal; stermagasynmateriaal wat aksi-simmetries is. b) S18-2 aksiaai; stermagasynmateriaal wat aksi-simmetries is.
(geets met NH4OH, H202,H20, vergroting ±100x).
FIGUUR 33: a) S5-1 radiaal; stermagasynmateriaal met'n rekristalliseerde a/(3-fasestruktuur. b) S5-1 aksiaai; stermagasynmateriaal met 'n rekristalliseerde ct/B-fasestruktuur
(geets met NH4OH, H202,H20, vergroting ±100x).
FIGUUR 34: a) S3-2 radiaal; stermagasynmateriaal met gepresipiteerde naaldvormige a- fase in die (3-fase, ook bekend as Widmanstattenstrukture.
b) S3-2 aksiaai; stermagasynmateriaal met gepresipiteerde naaldvormige a- fase in die |3-fase, ook bekend as Widmanstattenstrukture (geets met
NH4OH, H202,H20, vergroting ±100x).
4.1.1.3 MATERIAALHARDHEDE
Die hardhede van beide die radiale en aksiale monsters is bepaal. Die hardhede is, met'n Vickers-hardheidsapparaat met'n 1kg belading, bepaal.
Die gemete hardheidswaardes van die ontstekerdopmateriaal (kyk Tabel 2) het varieer tussen 154VHN en 178VHN, dus 'n totale verskil van 24VHN tussen die maksimum en minimum hardhede. Die gemiddelde hardhede van die ontstekerdopmateriaal is 166VHN (radiaal) en 167VHN (aksiaal) wat verwag kan word, aangesien die materiaal isotroop is (kyk Figuur 35). Die verskil in die vier hardheidswaardes vanaf een staaf, radiale en aksiale hardhede van die monsters wat van beide ente van 'n staaf gesny is (byvoorbeeld M1-1 en M1-2) , toon baie goeie herhaalbare hardhede met die verskil tussen die hoogste en laagste waardes minder as 10VHN (kyk Figuur 35). Die ontstekerdoptekening spesifiseer :n maksimum hardheid van 165VHN (tekeningnommer: 04-1390-2538-
000502). 'n Groot aantal van die hardhede gemeet, is vir die materiaal hoer as die spesifikasie, waarskynlik as gevolg van die mate van koudverwerking wat op die materiaal verrig is.
Die stermagasynmateriaal se hardhede varieer tussen 138VHN en 175VHN met'n verskil van 37VHN tussen die laagste en hoogste waardes (kyk Figuur 36 en Tabel 2). Die gemiddelde hardhede van die materiaal is 154VHN (radiaal) en 152VHN (aksiaal). Die herhaalbaarheid tussen die radiale en aksiale monsters, van beide ente per staaf, is swakker as die van die ontstekerdopmateriaal, waarskynlik as gevolg van die variasies in die mikrostruktuur (kyk Tabel 2). Alhoewel die gemiddelde hardhede van die radiale en aksiale monsters naby aanmekaar is, is die anisotrope verskynsels by sommige monsters, soos byvoorbeeld S3-2 teenwoordig, wat toegeskryf kan word aan die aanwesigheid van p'-fase.
Die effek van die hoe vlak van koudverwerking, na die uitgloeiing van die ontstekerdopmateriaal na ekstrusie, word gekwantifiseer deur die kleiner variasie in die hardhede van ontstekerdopmateriaal teenoor die van die stermagasynmateriaal. 'n Mate van koudverwerking op die stermagasynmateriaal sal bydrae tot 'n beter kwaliteit materiaal.
ONTSTEKERDOPMATERIAAL (CZ124) 175- 170-
1
165 ■a ra 155 - 150 ♦■
1 1 -•■ ■ < ■ : ♦♦ * ■ ■
■
■ f : ♦ ♦ i ■ ♦ ♦ • ♦ ♦ ♦ ♦■
■ ♦ ■■
■ ♦ ■ ♦ Radiaal ■ Aksiaal Gemiddeld Radiaal Gemiddeld Aksiaal ♦ ♦ Radiaal ■ Aksiaal Gemiddeld Radiaal Gemiddeld Aksiaal 15 20 Monster (M1-M10)FIGUUR 35: Ontstekerdopmateriaal: gemete hardhede, radiaal en aksiaal, met gemiddelde waardes. 170 X > UJ S 15
°
r Q < C 140 STERMAGASYNMATERIAAL (CZ121)■ ♦
♦
'♦.♦
* ♦ ■■♦
M..WL.*¥
i=?
* »■ ♦ * ■ . ■ *
. X I l _L
♦ Hardheid Radiaal ■ Hardheid Aksiaal Gemiddeld Radiaal ^ — G e m i d d e l d aksiaal 15 20 25 MONSTERS (S1-S20) 35FIGUUR 36: Stermagasynmateriaal: gemete hardhede, radiaal en aksiaal, met gemiddelde waardes.
4 . 1 . 1 . 4 LOODVERSPREIDING
Die verspreiding van lood in beide geelkoperlegerings is met behulp van die Noordwes- Universiteit se Skandeerelektronmikroskoop (SEM) bepaal. Die "Back Scatter"-detektor is gebruik om die loodfaseverspreidingsbeelde te genereer.
Slegs twee monsters elk van beide die ontstekerdopmateriaal (monsters M4 en M2) en stermagasynmateriaal (monsters S4 en S11) is ontleed. Die loodverspreiding is vir elke tipe geelkoperlegering op die monsters met die kleinste en grootste korrelgroottes gedoen. Die rede hiervoor is dat die lood nie deel van die geelkoperlegering vorm nie, maar op die korrelgrens voorkom. Deur die analise van die grootste en kleinste korrelstrukture, kan 'n goeie aanduiding van loodverspreiding verkry word.
a) Ontstekerdopmateriaal (CZ124)
Ontstekerdopmonster, M4-1 het groter loodkorreis, 2-15pm, (kyk Figuur 38) as monster M2-2, wat klein loodkorreis, <5 urn, het (kyk Figuur 39). Beide monsters se loodkorreis is eweredig versprei deur die legering, maar M4-1 se loodkorreis is baie groter as die van M2-2. Die loodverspreiding van die aksiale monsters, M4-1 en M2-2 (kyk Figure 38b en 39b) toon die aksiale vervormingsrigting tydens die koudverwerking van die materiaal. Die twee monsters M4-1 en M2-2, toon duidelik dat die loodkorrelgroottes met die geelkoperkorrelgrootes 'n korrelasie toon, aangesien M4-1 (20/45pm) baie groter geelkoperkorrels het as M2-2 (10/20um) met die loodkorrelgrootes wat vir beide monsters 2-15pm en <5pm onderskeidelik is (kyk Tabel 2). Die loodkorreis kom in die vorm van plaatjies op die korreigrense voor (kyk Figuur 37), aangesien die lood nie deel van die geelkoperlegering vorm nie. Die korrelasie tussen die geelkoperlegering-korrelgroottes en die loodkorrelgroottes hou verband met die mate van koudverwerking wat die legering ondergaan het. Die treksterktewaardes van die monsters bevestig die stelling met treksterktewaardes van monster M2 van 518MPa en die van monster M4 452MPa.
Die mikrostruktuur in Figuur 37 toon dat die lood nie deel vorm van die geelkoperlegering nie, maar dat die lood op die korreigrense voorkom. Die groter loodkorreis (20pm) (kyk Figuur 38) van monster M4-1 kan voigens Fowler (2000) optree as gapings ("voids") wat die vorming van hoe spanningsareas tot gevolg kan he, tydens hoe vervormingstempo's
en wat tot smeebreuke ("ductile fractures") aanleiding gee. Tydens plastiese vervorming van loodhoudende geelkoperlegerings ontstaan breuke in die plasties vervormde materiaal, deur die skep van hoe spanningsareas, random die loodkorrels, wat uitvloei in krake. Indien die ontstekerdopmateriaal dus groot loodkorrels het, kan die verskynsel aanleiding gee tot omtrekbreuke, veral indien lokale vervorming plaasvind (Fowler, 2000; 9). Volgens Fowler (2000) is die kritiese djgtheid van porositeit, uitgedruk in die persentasieloodinhoud waarby breuke plaasvind, groter as 5.5%, maar dat vervorming as gevolg van gapings by laer porositeite kan plaasvind, indien die vervorming in 'n drie- assige-orientasie plaasvind, soos byvoorbeeld tydens lokale vervorming ("necking"). Die mikrostrukture in Figure 52 en 62 toon egter dat smeebreuke nie in die ontstekerdopmateriaal, selfs teen hoe vervormingstempo's, plaasgevind het nie.
'n Verdere probleem wat deur die voorkoms van lood in geelkoperlegerings veroorsaak word, is "hot shortness". Volgens Dieter (1988:528) is slegs 'n klein hoeveelheid korrelgrensfilm van 'n legeringskomponent, met 'n laer smeltpunt, nodig om die materiaal tydens vervorming te laat verkrummel wat lei tot "hot shortness". Soos wat die tempo van vervorming toeneem, word meer hitte in die werkstuk opgehoop wat dan aanleiding gee tot "hot shortness".
FIGUUR 37: Loodverspreiding op korrelgrense van ontstekerdopmonster M4-1 (skaal 2 0 / / m ) .
FIGUUR 38: a) Loodverspreiding van ontstekerdopmateriaal: M4-1 radiaal.
b) Loodverspreiding van ontstekerdopmateriaal: M4-1 aksiaal (skaal 1 0 0 / / m ) .
FIGUUR 39: a) Loodverspreiding van ontstekerdopmateriaal: M2-2 radiaal.
b) Loodverspreiding van ontstekerdopmateriaal: M2-2 aksiaal (skaal 100/zm).
b) Stermagasynmateriaal (CZ121)
Die stermagasynmonsters (CZ121-geelkoper), Figure 40 en 41 toon wat dat die loodkorrelgroottes baie kleiner is, in vergelyking met die ontstekerdopmonsters, en eweredig deur die monsters versprei is. Die kleiner loodkorrelgroottes kan waarskynlik aan die warmverwerking van die geelkoperlegering, wat nie daarna uitgegloei is nie, toegeskryf word. Die loodkorreldeursnee van die monsters is ongeveer drie maal kleiner as die van die ontstekerdopmateriaal wat na die warmverwerking (ekstrusieproses) uitgegloei is. Die mikrostruktuur in Figuur 54 toon ook geen ontwikkeling van smeebreuke wat 'n oorsprong in die loodkorrels het nie. Volgens Fowler (2000) is dit duidelik, dat die eweredige loodverspreiding, asook die baie klein loodkorrels van die stermagasynmonsters nie 'n bydraende faktor sal wees in die meganiese vervorming in die komponente wat uit die materiaal vervaardig is nie.
FIGUUR 40: a) Loodverspreiding van stermagasynmateriaal: S4-2 radiaal.
b) Loodverspreiding van stermagasynmateriaal: S4-2 aksiaal (skaal 1 0 0 / / m ) .
FIGUUR 4 1 : a) Loodverspreiding van stermagasynmateriaal: S11-1 radiaal.
b) Loodverspreiding van stermagasynmateriaal: S11-1 aksiaal (skaal 1 0 0 / / m ) .