ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НЕКОТОРЫХ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА СВОЙСТВА СИЛУМИНА ЭВТЕКТИЧЕСКОГО ТИПА

Игорь Алексеевич Петров; Ольга Валентиновна Телицына

УДК 669.715.669.782: 669.85/86 DOI: 10.24412/0321-4664-2021-1-54-59

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ

НЕКОТОРЫХ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

НА СВОЙСТВА СИЛУМИНА ЭВТЕКТИЧЕСКОГО ТИПА

Игорь Алексеевич Петров, канд. техн. наук, Ольга Валентиновна Телицына, канд. техн. наук

Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), Москва, Россия, lumen-2007g@mail.ru)

Аннотация. В работе проведены исследования влияния редкоземельных элементов на структуру и свойства силумина эвтектического типа. Из анализа литературных данных определено оптимальное содержание редкоземельных элементов для обеспечения повышения механических свойств исследуемого сплава АК12. Показано влияние элементов на измельчение и количественное изменение формы кремниевой фазы и других структурных составляющих сплава. Результаты исследований показывают, что наилучшим сочетанием механических свойств обладают экспериментальные сплавы с добавками Y, Er и Yb.

Ключевые слова: силумин эвтектического типа, редкоземельные элементы, микроструктура, эвтектика, механические свойства

Investigation of the Influence of Some Rare-Earth Elements on the Properties of Eutectic-Type Silumin. Cand. of Sci. (Eng.) Igor A. Petrov, Cand. of Sci. (Eng.) Olga V. Telitsyna.

Moscow Aviation Institute (National Research University), Moscow, Russia, lumen-2007g@mail.ru

Abstract. The influence of rare-earth elements on the structure and properties of eutectic-type silumin was studied. On the base of the analysis of the literature data, the optimal content of rare-earth elements was determined to ensure an increase in mechanical properties of AK12 alloy. The influence of the elements on the refining and quantitative changes in the shape of the silicon phase and other structural components of the alloy was described. The results of the research showed that the best combination of mechanical properties was revealed in experimental alloys with Y, Er, and Yb additives.

Key words: eutectic-type silumin, rare-earth elements, microstructure, eutectics, mechanical properties

Введение

Широкое применение в цветной металлургии получили литейные алюминиевые сплавы (силумины). Силумины обладают наилучшими механическими и литейными свойствами и применяются для производства сложных фасонных отливок в авиа- и автомобилестроении.

Важную роль для повышения эксплуатационных свойств литейных алюминиевых сплавов играет измельчение структуры. Для сплавов, имеющих сложный фазовый состав,

необходимый результат достигается легированием, микролегированием или комплексным модифицированием, при котором различные элементы воздействуют на отдельные структурные составляющие сплава [1].

Теоретическое обоснование

Большой интерес для повышения эксплуатационных свойств литейных алюминиевых сплавов представляют редкоземельные элементы (РЗЭ). В данной работе был проведен

анализ зарубежной литературы о влиянии некоторых редкоземельных элементов на структуру и свойства различных силуминов. Были рассмотрены иттрий, лантан, иттербий, эрбий, самарий, неодим и др.

Иттрий, лантан и иттербий положительно воздействуют на структуру и свойства различных силуминов.

При введении в доэвтектический силумин 0,3 % Y кремниевая фаза в эвтектике (а + Б1) присутствует в полностью модифицированном виде, а также иттрий измельчает железосодержащую фазу и сокращает ее объемную долю в сплаве, что приводит к повышению механических свойств исследуемого силумина [2-6].

Согласно работам [7, 8] введение 1 % La в доэвтектические силумины приводит к измельчению кремниевой фазы в эвтектике, изменяя морфологию эвтектического кремния с иглообразной на глобулярную форму. Лантан, как и иттрий, влияет на измельчение железосодержащей фазы.

Исследование микроструктуры в работе [9] показывает влияние иттербия на доэвтектический силумин. Введение оптимального количества иттербия (0,5-0,7 %) способствует изменению морфологии кремниевой фазы в эвтектике (а + ¿¡) с грубой игольчатой формы на тонкую глобулярную, тем самым повышая механические свойства исследуемого силумина. Наряду с этим обработка сплава иттрием способствует понижению температуры кристаллизации эвтектики [10, 11].

Положительное воздействие на структуру и свойства различных силуминов оказывают также эрбий, самарий, гадолиний и неодим.

В работах [12-14] изучена возможность применения эрбия для измельчения структуры и повышения механических свойств некоторых силуминов.

Анализ микроструктуры исследуемых сплавов показал, что при добавлении 0,3 % Ег в расплаве образуется фаза А13Ег, представляющая собой игольчатую структуру в термически необработанном состоянии, которая при термообработке облагораживается и равномерно распределяется по матрице. Введение эрбия видоизменяет форму и размер частиц кремниевой фазы в эвтектике (а + Б1), а также измельчает а-твердый раствор. После термообработки можно заметить измельчение железосодержащей фазы и ее облагораживание.

Влияние самария на микроструктуру и механические свойства доэвтектических и эвтектических силуминов исследовано в работах

[15-17]. Самарий эффективно изменяет морфологию дендритов а-твердого раствора и эвтектического кремния. Кроме того, самарий подавляет грубую игольчатую структуру железосодержащих фаз.

Согласно ряду исследований гадолиний [18, 19] и неодим [20] воздействуют на структуру и свойства доэвтектических и эвтектических силуминов положительно, повышая их механические свойства.

Гадолиний при вводе в исследуемый сплав в количестве 0,2-0,4 % упорядочивает распределение первичных дендритов а-твердого раствора, влияет на изменение морфологии кремниевой фазы в эвтектике (а + Б1), приобретающей частично глобулярную форму, и равномерно распределяется в а-твердом растворе.

Неодим значительно измельчает а-твердый раствор при введении в исследуемый сплав в количестве 0,3 %, которое способствует частичному измельчению кремниевой фазы в эвтектике (а + Б1) и образованию упрочняющей фазы А!2ЫС.

В работе [21] исследовано влияние европия на доэвтектический силумин. Установлено, что добавление 0,05 % Ей вызывает измельчение кремниевой фазы в эвтектике (а + Б1), что впоследствии приводит к повышению механических свойств сплава. При исследовании микроструктуры сплава обнаружено, что фаза А!2Б12Еи находится в непосредственной близости от кремниевой фазы в эвтектике и внутри нее, предположительно препятствующей росту кремния в эвтектике.

Помимо выше рассмотренных отдельных РЗЭ для повышения эксплуатационных свойств иногда применяется их комплексное введение, например, La + Yb, Рг + Се [22, 23].

По результатам литературного анализа было установлено, что рассмотренные РЗЭ измельчают различные структурные составляющие силуминов (эвтектику (а + Б1), а-твердый раствор и железосодержащую фазу) и, следовательно, положительно воздействуют на механические свойства литейных алюминиевых сплавов. Согласно проведенному анализу наиболее перспективными и эффективными РЗЭ являются иттрий, лантан, иттербий, эрбий, самарий и неодим.

Исходя из вышеперечисленного, было принято решение о проведении исследования влияния на силумин эвтектического типа РЗЭ с оптимальным, согласно литературным данным, содержанием: 0,3 % X 1 % La, 0,6 % Yb, 0,3 % Ег, 0,6 % Бт, 0,35 % ЫС.

Материалы и методы исследования

Для исследования был выбран широко используемый сплав эвтектического типа АК12. Химический состав сплава АК12 соответствует ГОСТ 1583-93.

Экспериментальные плавки проводили в муфельной электрической печи сопротивления. Предварительно расплав дегазировали с помощью продувки инертным газом (аргоном). РЗЭ добавляли в сплав в виде лигатур: Al-10 % Y, AI—10 % La, Al-5 % Yb, Al-6 % Er, AI-2 % Sm, AI—10 % Nd.

Механические свойства сплава — временное сопротивление разрыву (предел прочности) ств (МПа), относительное удлинение 5 (%) определяли в соответствии с ГОСТ 1497—84 на испытательной машине модели Instron 5982.

Микроструктуру исследовали на универсальном моторизированном микроскопе Carl Zeiss марки Imager.Z2m AXIO. Для количественного анализа средней площади кремниевой фазы в эвтектике применяли программный продукт ImageExpertPro 3.4.

Результаты исследований

Результаты механических испытаний сплава АК12 в зависимости от расчетного количества вводимых РЗЭ представлены на рис. 1.

Обработка расплава эвтектического силумина АК12 исследуемыми РЗЭ привела к повышению уровня его механических свойств.

Наилучшим сочетанием механических свойств обладают экспериментальные сплавы с добавками иттрия, эрбия и иттербия относительно чистого сплава АК12 (см. рис. 1).

У сплава АК12, обработанного 0,6 % Sm, наилучший результат при испытаниях на прочность — 194 МПа, однако маленькое относительное удлинение — 3,15 %.

Б 200

- 160 я е

к

120 80

40

10

Чистый 0,35% N(1 0,3% Ег 1%Ьа 0,3% У 0,6% Бт 0,6% УЬ ■ Предел прочности I Относительное удлинение

Рис. 1. Влияние исследуемых РЗЭ на механические свойства сплава АК12

о

В о

Лучшее относительное удлинение (7 %) у сплава при введении 0,3 % Y при пределе прочности 164 МПа.

Исследования механических свойств показали, что полученные при обработке сплава АК12 редкоземельными элементами параметры в основном превосходят аналогичные значения предела прочности и пластичности данного сплава, требуемые в соответствии с ГОСТ 1583-93.

Влияние исследуемых РЗЭ на микроструктуру сплава АК12 приведено на рис. 2.

В исходном состоянии основной структурной составляющей сплава АК12 является эвтектика (а + Б1), средняя площадь частиц которой составляет 46,5 мкм2, также присутствуют дендриты алюминия и отдельные кристаллы первичного кремния (см. рис. 2, а). Количество железосодержащих фаз мало, и они, как правило, присутствуют небольшими включениями в форме иероглифов. В связи со значительным концентрационным интервалом по кремнию (11-13 %) в структуре наблюдаются первичные кристаллы кремния в виде компактных полиэдров.

Как видно из рис. 2, б, введение 0,35 % ЫС утончает пластинчатую структуру кремния в эвтектике, средняя площадь частиц кремния уменьшается до 14,1 мкм2 (рис. 3).

По сравнению с чистым сплавом введение 0,3 % Ег (см. рис. 2, в) заметно измельчает и изменяет форму эвтектического кремния, средняя площадь частиц которого составляет 9 мкм2 (см. рис. 3). Эрбий измельчает железосодержащую фазу, образуя фазу А13Ег, которая равномерно распределена в а-твердом растворе, что приводит к повышению механических свойств исследуемого сплава [13, 14].

Добавление 1 % La (см. рис. 2, г) приводит к хорошей сфероидизации эвтектического кремния и уменьшает среднюю площадь его частиц до 2,3 мкм2 относительно чистого сплава (см. рис. 3).

Микроструктура сплава АК12, обработанного 0,3 % X, представлена на рис. 2, д, из которого видно, что такого количества добавки достаточно для полноценного измельчения эвтектики и равномерного распределения а-твердого раствора. Следовательно, средняя площадь частиц эвтектического кремния уменьшилась до 2,6 мкм2 относительно чистого сплава (см. рис. 3).

С введением в расплав 0,6 % Бт (см. рис. 2, е) частично измельчается структура ис-

Рис. 2. Микроструктура сплава АК12:

а - немодифицированный; б - 0,35 % ЫС; в - 0,3 % Ег; г - 1 % 1_а; д - 0,3 % У; е - 0,6 % Бт; ж - 0,6 % УЬ; х500

5 I

g s

s « P &

I

I .

Чистый 0,35% N(1 0,3% Ег 1%Ьа 0,6% Бт 0,3% У 0,6% УЪ

Рис. 3. Влияние исследуемых добавок на среднюю площадь частиц эвтектического кремния

следуемого сплава. Самарий, как и неодим, изменяет структуру кремния в эвтектике с грубой формы на тонкую пластинчатую, в то же время а-твердый раствор имеет более равномерное распределение по площади исследуемого шлифа. Средняя площадь частиц эвтектического кремния уменьшается до 4,8 мкм2 (см. рис. 3).

Как видно из рис. 2, ж, добавление 0,6 % ХЬ приводит к измельчению и облагораживанию структуры кремния в эвтектике по сравнению со структурой чистого сплава. Средняя площадь его частиц составляет 3,6 мкм2 (см. рис. 3).

Заключение

Результаты проведенных исследований показали, что применение редкоземельных элементов является перспективным направлением улучшения структуры литейных алюминиевых сплавов (силуминов) и повышения их механических свойств.

Наиболее стабильный и высокий уровень механических свойств обеспечивается введением в исследуемый сплав иттрия, эрбия и иттербия, что подтверждается полученными экспериментальными данными.

В дальнейшем необходимо исследовать влияние редкоземельных элементов на пористость и литейные свойства силуминов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Шляпцева А.Д., Петров И.А., Ряховский А.П., Моисеев В.С. Разработка комплексного модифицирующего флюса для литейных алюминиевых сплавов // Литейщик России. 2020. № 4. С. 13-17.

2. Bingbing Wan, Weiping Chen, Lusheng Liu. Effect of trace yttrium addition on the microstructure and tensile properties of recycled Al-7Si-0.3Mg-1.0 Fe casting alloys // Materials Science & Engineering A 666. 2016. Р. 165-175.

3. Dong Yun, Zheng Runguo, Lin Xiaoping. Investigation on the modification behavior of A356 alloy inoculated with a Sr-Y composite modifier // Journal of Rare Earth. 2013. Vol. 31. No. 2. Feb. P. 204.

4. Nogita K., Knuutinen A., McDonald S.D., Dahle A.K. Mechanisms of eutectic solidification in Al-Si alloys modified with Ba, Ca, Y and Yb // Journal of Light Metals. 2001. 1. P. 219-228.

5. Knuutinen A., Nogita K., McDonald S.D., Dahle A.K. Modification of Al-Si alloys with Ba, Ca, Y and Yb // Journal of Light Metals. 2001. 1. P. 229-240.

6. Knuutinen A., Nogita K., McDonald S.D., Dahle A.K. Porosity formation in aluminium alloy A356 modified with Ba, Ca, Y and Yb // Journal of Light Metals. 2001. 1. P. 241-249.

7. Wan Di-qing. Si phase morphology and mechanical properties of ZL107 Al alloy improved by La modification and heat treatment // Trans. Nonferrous Met. Soc. China. 2012. 22. P. 1051-1054.

8. Yu-Chou Tsai, Cheng-Yu Chou, Sheng-Long Lee. Effect of trace La addition on the microstructures and mechanical properties of A356 (Al-7Si-0.35Mg) aluminum alloys // Journal of Alloys and Compounds. 2009. 487. P. 157-162.

9. Li J.H., Albu M., Ludwig T.H., Matsubara Y. Modification of eutectic Si in Al-Si based alloys // Materials Science Forum. 2014. Vol. 794-796. P. 130-136.

10. Zhi Hu, Zhou Dong, Zheng Yin. Solidification behavior, microstructure and silicon twinning of Al-10Si alloys with ytterbium addition // Journal of Rare Earths. 2018. 36. P. 662-668.

11. Bao Li, Hongwei Wang, Jinchuan Jie. Microstructure evolution and modification mechanism of the ytterbium modified Al-7.5 %Si-0.45 %Mg alloys// Journal of Alloys and Compounds. 2011. 509. P. 3387-3392.

12. Colombo Marco, Gariboldi Elisabetta, Morri Ales-sandro. Er addition to Al-Si-Mg-based casting alloy: Effects on microstructure, room and high temperature mechanical properties // Journal of Alloys and Compounds. 2017. 708. P. 1234-1244.

13. Wanq Q., Zhao G., Zhang R.Y., Shi Z.M. Effects of erbium modification on the microstructure and mechanical properties of A356 aluminium alloys// Materials Science & Engineering A. 2014.

14. Fugang J., Fanrong A., Hong Y., Xiawou H. Effects of rare earth Er additions on microstructure development // Journal of Alloys and Compounds. 2012. № 538. P. 21-27.

15. Qiu Hongxu, Hong Yan, Zhi Hu. Effect of samarium (Sm) addition on the microstructures and mechanical properties of Al-7Si-0.7Mg alloys // Journal of Alloys and Compounds. 2013. № 567. P. 77-81.

16. Zhi Hu, Hong Yan. Effects of samarium addition on microstructure and mechanical properties of as-cast Al-Si-Cu alloy // Trans. Nonferrous Met. Soc. China. 2013. 23. P. 3228-3234.

17. Hong Yan, Zhi Hu. Modification of eutectic silicon and -Al5FeSi phases in as-cast ADC12 alloys by

using samarium addition // Journal of Rare Earths. 2013. Vol. 31. No. 9. Sep. P. 916.

18. Shi Zhiming, Wang Qiang, Shi Yuting. Microstructure and mechanical properties of Gd-modified A356 aluminum alloys // Journal of Rare Earths. 2015. Vol. 33. No. 9. Sep. P. 1004.

19. Wenyi Liu, Wenlong Xiao, Cong Xu. Synergistic effects of Gd and Zr on grain refinement and eutectic Si // Materials Science & Engineering A. 2017. 693. P. 93-100.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

20. Zhi Hu, Xian-ming Ruan, Hong Yan. Effects of neo-dymium addition on microstructure and mechanical properties of near-eutectic Al-12Si alloys // Trans. Nonferrous Met. Soc. China. 2015.25. P. 3877-3885.

21. Li J.H., Wang X.D., Ludwig T.H. Modification of eutectic Si in Al-Si alloys with Eu addition // Acta Materia-lia. 2015. 84. P. 153-163.

22. Hong Yan, Fanhui Chen, Zhenghua Li. Microstructure and mechanical properties of AlSi10Cu3 alloy with (La + Yb) addition processed by heat treatment // Journal of Rare Earths. 2016. Vol. 34. No. 9. Sep. P. 938.

23. Xianchen Song, Hong Yan, Xiaojun Zhang. Microstructure and mechanical properties of Al-7Si-0.7Mg alloy formed with an addition of (Pr + Ce) // Journal of Rare Earths. 2017. Vol. 35. No. 4. Apr. P. 412.

REFERENCES

1. Shlyaptseva A.D., Petrov I.A., Ryakhovskiy A.P., Moiseyev V.S. Razrabotka kompleksnogo modifit-siruyushchego flyusa dlya liteynykh alyuminiyevykh splavov // Liteyshchik Rossii. 2020. № 4 P. 13-17.

2. Bingbing Wan, Weiping Chen, Lusheng Liu. Effect of trace yttrium addition on the microstructure and tensile properties of recycled Al-7Si-0.3Mg-1.0 Fe casting alloys // Materials Science & Engineering A 666. 2016. P. 165-175.