Управление качеством силуминового литья с помощью термовременной обработки расплава Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

III ТЕХНОЛОГІЇ ОТРИМАННЯ ТА ОБРОБКИ КОНСТРУКЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ

УДК 669.017.113:669.715 (043)

Д-р техн. наук В. И. Мазур, канд. техн. наук С. В. Капустникова, канд. техн. наук А. Ю. Шпортько, С. В. Бондарев

Национальная металлургическая академия Украины, г. Днепропетровск

УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ СИЛУМИНОВОГО ЛИТЬЯ С ПОМОЩЬЮ ТЕРМОВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКИ РАСПЛАВА

Изучено влияние жидкофазной обработки расплава на структуру и свойства затвердевшего алюминиевокремниевого сплава АК12(АЛ2). Установлены режимы термовременной обработки расплава (Т1 = 750 °С, Т2 =880 °С, ТЗ =1000 °С, і = 20мин), обеспечивающие получение в отливках оптимальной структуры и достаточно высокого уровня свойств.

Ключевые слова: силумин, расплав, термовременная обработка, температура перегрева, структура, свойства.

Введение

Оптимизация технологии выплавки металла, основанная на термовременной обработке расплавов, является перспективным и эффективным способом улучшения как технологических свойств расплавов, так и служебных свойств получаемых из них отливок [1,2].

Успешное освоение указанной технологии позволит также улучшить экономические показатели выплавки сплавов.

Жидкие сплавы на основе алюминия, в частности силумины, являются одним из наиболее удобных и практически интересных объектов для изучения особенностей термовременной обработки расплавов. Поэтому изучение влияния такой обработки на качество силуминовош литья является актуальной задачей.

Материалы и методика исследований

В настоящей работе был проведен детальный струк-турно-фазовый анализ образцов, подвергнутых в жидком состоянии температурной обработке расплава АК-12(АЛ2), суть которой состояла в перегреве его до различных температур в интервале 650... 1100 °С, изотермической выдержке при заданной температуре в течение 20 минут и закристаллизованных со скоростью З...5х102 °С/мин. В дальнейшем образцы подвергали механическим испытаниям на растяжение. Механические свойства данных образцов сопоставляли с их микроструктурой вблизи мест разрыва. Металлографические исследования микроструктуры сплавов проводили с помощью микроскопа «МЮРНОТ-ЗО». Определение механических свойств на растяжение проводили на машине Ігаїхоп модели 1195. Для механических испыта-

© В. И. Мазур, С. В. Капустникова, А. Ю. Шпортько, С. В. Бондарев, 2012

ISSN1607-6885 Нові матеріали і технології е металургії та машинобудуванні №2, 2012 47

ний использовали образцы, отлитые в металлический кокиль. Размеры разрывных образцов выбирали в соответствии с требованиями ГОСТ 1497-84.

Результаты и их обсуждение

Механические испытания литых образцов из сплава АЛ2, затвердевших после перегрева расплава до различных температур в интервале 650... 1100 °С, показали, что при некоторых температурах перегрева происходит скачкообразный рост механических свойств отливок, причем возрастают как прочностные, так и пластические характеристики (рис. 1).

Структура отливок представлена двумя структурными составляющими - первичными дендритами а -твердого раствора кремния в алюминии и колониями эвтектики, состоящей из а-твердою раствора и кремния (рис. 2, а). Вместе с тем, детальный стереометрический микроанализ позволил выявить ранее неизвестные изменения количественных и качественных характеристик этих структурных составляющих.

После перегрева жидкой фазы до температур скачкообразного роста механических свойств 750и880°С изменяется морфология эвтектической составляющей; в ней увеличивается объемная доля высококремнистой фазы в тонкодифференцированной нерегулярной эвтектике. Аналогичные изменения происходят и при 1000 °С (рис. 2, б, в). Эвтектика образцов, залитых с температур, непосредственно предшествующих этим «скачкам», имеет довольно грубую дифференцировку, пластиночную морфологию, низкую объемную долю упрочняющей фазы (рис. 2, г).

а б

Рис. 1. Механические свойства литых образцов из сплава АЛ2, затвердевших после перегрева расплава до различных

температур: а - прочностные характеристики, б - пластические характеристики

При определенных температурах перегрева расплава в структуре образцов увеличивается содержание эвтектики и, соответственно, уменьшается объемная доля первичных дендритов.

На основании того, что в структуре отливок, полученных после перегрева до некоторых температур, скачкообразно уменьшается среднее расстояние между осями первичных дендритов, можно высказать предположение о возрастании переохлаждения кристаллизующегося расплава, который был предварительно перегрет до этих температур, по сравнению с более низким перегревом.

Механические свойства максимальны в тех случаях, коща в структуре образцов максимальна объемная доля тонкодифференцированной эвтектики с большей объемной долей высоко кремнистой фазы, чем это следует из диаграммы состояния, и понижаются при дальнейшем повышении температуры перегрева расплава, коща убывает объемная доля такой эвтектики.

Скачкообразное увеличение прочности образцов, полученных при температурах заливки расплава 750, 880, 1000 °С (рис. 1) связано, во-первых, со скачкообразным упрочнением а -твердого раствора кремния в алюминии и, во-вторых, с появлением новой высоко-

прочной структурной составляющей - нерегулярной тонкодифференцированной эвтектики, содержащей высокопрочную кремниевую фазу в количестве, превышающем равновесное.

Повышение пластичности отливок при скачкообразном росте их прочностных свойств в соответствии с теорией прочности армированных материалов объясняется утонением высокопрочной армирующей фазы при появлении в структуре слитка тонкодифференцированной эвтектики. Этому же способствует утонение дифференцировки кремниевой фазы в обычной эвтектике этих образцов (рис. 2, б, в).

Все описанные выше экспериментальные факты можно объяснить тем, что для системы алюминий-кремний наряду с известными стабильными равновесиями, указанными на диаграмме состояния, могут также реализовываться метастабильные равновесия [3], как это, например, имеет место для системы желе-зо-углерод. При этом в зависимости от определенных факторов затвердевание может происходить в соответствии с той или иной диаграммой состояния и высококремнистой фазой может быть либо кремний, либо метастабильные промежуточные фазы типа силицидов, распадающиеся в твердом состоянии. По-види-мому, факторами, определяющими в соответствии с какой из диаграмм состояния будет затвердевать силумин, является атомная структура расплава, соответствующая данной температуре нагрева над линией ликвидус и ее трансформация в ходе охлаждения при затвердевании.

Кристаллизация сплава проходит в несколько стадий. После нагрева расплава над линией ликвидус до температур 750, 880, 1000 °С затвердевание происходит по диаграмме состояния с линиями метастаб ильного равновесия с образованием тонкодифференцированной эвтектики с повышенной объемной долей высококремнистой фазы. Максимальная объемная доля

такой эвтектики получена в образцах, залитых при этих температурах. То есть, равновесный фазовый состав

а+ |3(5/) исследуемого сплава достигается через зарождение, рост и растворение (частичное или полное) метастабильных промежуточных фаз, причем устойчивость этих фаз зависит как от температуры исходного нагрева жидкой фазы, так и от содержания примесных элементов. Образование стабильных фаз происходит лишь на последних стадиях этою сложною многостадийного процесса затвердевания. В результате в реальном сплаве наблюдается несколько типов эвтектических структурных составляющих, отличающихся морфологией и объемной долей высококремнистой фазы.

Выводы

Термовременная обработка расплава является перспективным и эффективным способом управления качеством силуминового литья и получаемых из него изделий. Успешное освоение указанной технологии позволит реализовать дополнительные резервы повышения механических свойств, отказаться от технологической операции модифицирования, что удешевит полученные изделия и улучшит экологию производства.

Список литературы

1. Исходные расплавы, как основа формирования структуры и свойств алюминиевых сплавов / [И. Г. Бродова, П. С. Попель, Н. М. Барбин, Н. А. Ватолин]. - Екатеринбург : УрО РАН, 2005. - 370 с.

2. Капустникова С. В. Влияние степени микрогетерогенности расплава силумина на качество отливки / [С. В. Капустникова, В. И. Мазур, Ю. Н. Таран] // Литейное производство. - 1985. -№ 9. - С. 12-13.

3. Мазур В. И. О метастабильных фазах в системе А1-81 / [В. И. Мазур, А. В. Мазур А. Ю. Шпортько] // Научн. тр. Международной конференции «Эвтектика V». -Днепропетровск : ОАО Р1А «Трейс», 2000. - С. 50-55.

Одержано 01.06.2012

Мазур B.L, Капустникова С.В., Шпортько Г.Ю, Бондарев С.В. Керування якістю силумінового лиття за допомогою термочасової обробки розплаву

Вивчено вплив рідкофазної обробки розплаву на структуру і властивості затверділого алюмінієво-кремнієвого сплаву АК12(АЛ2). Встановлено режими термочасової обробкирозплаву (Г1 = 750 °С, Т2 =880 °С, ТЗ = 1000 °С, t = 20 хв), що дозволяють отримати у відливках оптимальну структуру і досить високий рівень властивостей.

Ключові слова: силумін, розплав, термочасова обробка, температура перегріву, структура, властивості.

Mazur V., Kapustnikova S., Shportko A., Bondarev S. Quality management of Al-Si alloy casting by thermal-temporal melt treatment

Influence of fusion liquid-phase treatment on a structure and properties ofaluminium-silic on alloys ЛК12 (АЛ2) is studied. The mode of thermal-temporal treatment of melt (Tl = 750 °С, T2 = 880 °С, T3 = 1000 °С, t = 20 minutes), providing to obtain optimal structure and high level of properties is ascertained.

Key words: Al-Si alloy, melt, thermal-temporal treatment, overheating temperature, microstructure, properties.

ISSN 1607-6885 Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні №2, 2012

49