CC BY
56
^ТШЦТГСОТМЭТТГСT /10
-4 (93), 2018/ 'в
УДК 669.714
DOI: 10.21122/1683-6065-2018-4-19-23
Поступила 31.07.2018 Received 31.07.2018
КОМПЛЕКСНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ВТОРИЧНЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
И. П. ВОЛЧОК, А. А. МИТЯЕВ, Р. А. ФРОЛОВ, Запорожский национальный технический университет, г. Запорожье, Украина, ул. Жуковского, 64. E-mail: tmzntu@gmail.com
В статье показана возможность получения качественных отливок из шихты, состоящей из вторичных сплавов А356.2 и АК7ч с высоким содержанием железа. Установлено, что комплексная обработка расплава модификатором и мелкокристаллическим переплавом при содержании железа в сплаве до 1,84% позволяет получить уровень механических свойств, соответствующих требованиям ГОСТ 1583-93.
Ключевые слова. Вторичный алюминий, интерметаллидные фазы, структура, наследственность, модифицирующая обработка.
Для цитирования. Волчок, И. П. Комплексная технология повышения качества вторичных алюминиевых сплавов /И. П. Волчок, А. А. Митяев, Р. А. Фролов //Литье и металлургия. 2018. № 4. С. 19-23. DOI: 10.21122/1683-60652018-4-19-23.
COMPLEX TECHNOLOGY OF SECONDARY ALUMINIUM ALLOYS QUALITY INCREASING
I. P. VOLCHOK, A. A. MITYAYEV, R. A. FROLOV, Zaporozhye National Technical University, Zaporozhye, Ukraine, 64, Zhukovskogo str. E-mail: tmzntu@gmail.com
In the article the possibility of obtaining high-quality castings from a charge, consisting of secondary aluminium A356.2 and AK7ch with a high level of iron, is considered. The influence of the complex treatment of the melt by a modifier and fine-crystalline remelting at an iron content in the alloy to 1.84% is presented.
Keywords. Secondary aluminium, intermetallide phases, structure, heredity, modifying processing.
For citation. Volchok I. P., Mityayev A. A., Frolov R. A. Complex technology of secondary aluminium alloys quality increasing.
Foundry production and metallurgy, 2018, no. 4, pp. 19-23. DOI: 10.21122/1683-6065-2018-4-19-23.
Введение
С середины 60-х годов ХХ ст. алюминий и его сплавы по объемам производства в мире заняли второе место после сплавов на основе железа [1] .С тех пор выпуск алюминиевых сплавов благодаря их широкому применению в космической, авиационной, автомобильной, строительной и других отраслях непрерывно увеличивается . Одновременно повышаются требования к их механическим и служебным свойствам и соответственно увеличивается количество научно-исследовательских работ, посвященных повышению качества алюминиевых сплавов . В этом плане, кроме широко применяемого примесного модифицирования, разработано большое количество методов обработки жидкого металла: инертными газами, импульсным электрическим током, магнитными полями, ультразвуком, вибрацией, ускоренным отвердеванием, мелкокристаллическими лигатурами и(или) шихтой, методом смешивания одно- и двухфазного расплавов и др . [1, 2] . В работах Е . И . Маруковича и В . Ю . Стеценко [3, 4] показаны высокие эффективность и технологичность наследственного модифицирования силуминов благодаря генетической связи между структурой алюминиевых сплавов в жидком и твердом состоянии . Теоретические исследования и практика производства показали, что расплав алюминия, который является промежуточным звеном в цепи шихта-расплав-отливка, несет информацию о природе исходных материалов и может служить объектом для улучшения структуры и свойств литых изделий
ИFOUNDRY PRODUCTION nND M€TnLLURGY
I 4 (93), 2018-
в г
Рис . 1 . Микроструктура сплавов АК7ч (а) и А356.2 (б), гранулы (в) и микроструктура МКП (г)
Цель работы. Известно, что вторичные алюминиевые сплавы вследствие загрязнения исходных материалов имеют неблагоприятную гетерогенную структуру с большим количеством пластинчатых ин-терметаллидных фаз и, как следствие, низкий уровень механических свойств . Одним из примесных элементов, оказывающим отрицательное влияние на структуру и свойства алюминиевых сплавов, является железо . Перечисленные выше методы обработки жидкого металла не позволяют полностью нейтрализовать отрицательное влияние железа, особенно при его высоком содержании . В связи с этим представляется перспективной комплексная технология рафинирования и модифицирования расплава В данной работе ставилась задача изучить совместное влияние мелкокристаллического переплава (МКП) и количества модификатора МК-1 [5] на структуру и механические свойства силумина АК7ч с различным содержанием железа
Материалы и методики исследований. В качестве шихты использовали отходы производства в виде литников сплавов АК7ч и А356 .2 (табл . 1) и мелкокристаллический переплав (рис . 1) . Экспериментальные 20 сплавов получали в печи сопротивления в тигле емкостью 3 кг в соответствии с матрицей планирования эксперимента 23 (табл . 2) .
Таблица 1. Химический состав шихты
Сплав Содержание элементов, мас . %
Sl Fe Си Мп Mg Zn Т1
АК7ч 6,72 0,60 0,05 0,08 0,32 0,02 0,01
А356 .2 7,07 0,11 0,02 0,02 0,23 0,03 0,07
Таблица 2 . Ротатабельный план второго порядка 23
Интервал варьирования и уровень факторов Изучаемые факторы
Х[ (МКП, %) Х2 (Ре, %) Х3 (МК-1, %)
Нулевой уровень Х0 = 0 42,05 1,0 0,1
Интервал варьирования 1,0 25 0,5 0,05
1,682 42,05 0,84 0,084
Нижний уровень Х = -1,0 17,05 0,5 0,05
Верхний уровень Х = +1,0 67,05 1,5 0,15
Звездные точки Х = -1,682 0 0,16 0,016
Х = +1,682 84,1 1,84 0,184
ЛГПм^К^^ПиЁЁ^^ГКГТ /91
-4 (93), 2018 I Ъ I
50 мкм V -уг - 7^ 1 4 * • ^ • , Л Л .-Ч* / ' Л < -.'У. ' ^ 4 у | 50 мкм ■ . I ' ' ' г » •л .. ;• * -. ■ ■ • ' -Л . - ? -
Г""» V ' ' с„ " Я .4'1 • ■ - - 50 мкм ; 1-■
а б в
V-....... • > . ■ V ' - •-V. » , , ¿- • Г У . . 5 - ' л > • • - •• •*> „ ■ - V • - <!-' к, . ■ # ■ ' ■ ■ ■ -* н ,. ... - < , Ч- ' 50 мкм 1-1
■ - 50 мкм ---
Рис . 2 . Микроструктура сплавов: а - 0% МКП 1,0% Fe 0,1% МК-1; б - 42,05% МКП 1,0% Fe 0,1% МК-1; в - 84,1% МКП 1,0% Fe 0,1% МК-1; г - 42,05% МКП 1,0% Fe 0,016% МК-1; Э - 42,05% МКП 1,0% Fe 0,184% МК-1
Содержание железа в каждом сплаве было обеспечено соотношением составляющих шихты (табл . 1) и присадками железного порошка ПЖР2 в расплав при температуре 720 °С . Перед заливкой в стальной кокиль расплав обрабатывали в тигле модификатором МК-1 [5] с помощью колокольчика .
Анализ микроструктуры проводили на оптическом микроскопе SIGETA ММ-700 после обработки поверхности шлифа реактивом Келлера 0,5%НБ + 0,5%НК03 + 1,5%НС1 в течение 10 с . Контроль механических свойств выполняли после термообработки Т6 по ГОСТ 1583-93 .
Результаты и обсуждение. Независимо от технологического варианта плавки все сплавы имели структуру, состоящую из алюминиевой матрицы (а-твердый раствор Si и других примесей в А1), эвтектического Si и интерметаллидных фаз Al5FeSi, А13Бе, А12Ре (рис . 2) .
В зависимости от содержания МКП, Fe в составе шихты и количества применяемого модификатора частицы кремния и железосодержащих фаз изменяли свой размер и форму, что явилось основным фактором, влияющим на механические свойства сплавов [6] . Повышение содержания Fe с 0,16 до 1,84% приводило к увеличению в сплаве количества интерметаллидных фаз, а обработка модификатором МК-1 -к получению интерметаллидов и кремния компактной формы Повышение содержания МКП в составе шихты способствовало диспергированию основных структурных составляющих и измельчению размера зерна (рис 2)
Статистическая обработка результатов позволила получить зависимости предела прочности, относительного удлинения и твердости от исследуемых факторов в виде уравнений второго порядка:
св = 215,85 + 1,6МКП + 83^е + 579,58(МК-1) + 0,35МКШе - 0,63МКП(МК-1) +
+ 152^е(МК-1) - 0,026МКП2 - 63^е2 - 3568,84(МК-1)2, (1)
8 = 4,65 + 0,09МКП + 0^е + 26,67(МК-1) + 0,36МКП(МК-1) + 2Fe(МК-1) -
- 0,001МКП2 - 2^е2 - 255,4(МК-1)2, (2)
НЯ£ = 28,65 + 0,4МКП + 10,^е + 191,27(МК-1) + 0,09МКШе - 0,92МКП(МК-1) -
- 4,^е(МК-1) - 0,007МКП2 - 4,27Fe2 - 592,68(МК-1)2 . (3)
С использованием уравнений (1)-(3) на рис . 3, а показано влияние количества МКП при постоянной присадке модификатора МК-1, равной 0,1%, на механические свойства сплава АК7ч с тремя концентрациями железа, на рис . 3, б - влияние величины присадки МК-1 на механические свойства АК7ч при постоянном содержании в шихте МКП, равном 42,05%, и тех же концентрациях железа
Анализ полученных данных свидетельствует о наличии экстремальных зависимостей св, 8 и НЯ£ от содержания МКП в шихте и величины присадки модификатора МК-1. Наиболее высокие значения меха-
И FOUNDRY PRODUCTION AND METALLURGY
I 4 (93), 2018-
40 60
а
Рис 3 Механические свойства сплава АК7ч
б
нических свойств получены при содержании МКП в шихте 35-45% и при присадке МК-1 0,09-0,11%. Увеличение в сплаве содержания железа сдвигает значения МКП и МК-1, обеспечивающие оптимумы механических свойств, в сторону их увеличения . Следует отметить экстремальный характер зависимости св от содержания в сплаве железа . Это можно объяснить тем, что в малом количестве железосодержащие интерметаллиды тормозят движение дислокаций и способствуют повышению прочности, в большом количестве вследствие их хрупкости и способности к расслоению снижают пластичность и облегчают процессы разрушения [1, 6] . Результаты выполненных исследований показали возможность существенного повышения механических свойств сплава АК7ч, при этом даже при содержании железа 1,84% оптимальные величины МКП и МК-1 обеспечили получение механических свойств выше требований ГОСТ 1583-93 (рис . 3) .
Выводы
1 Разработана комплексная технология, включающая использование мелкокристаллического переплава и модифицирующую обработку, для производства качественных силуминов из низкосортной шихты с высоким содержанием железа
2 Технология прошла проверку в промышленных условиях и рекомендована к внедрению [7]
ЛИТЕРАТУРА
1. Штяев О. А. Науково-технолопчш основи формування структуры, фiзико-механiчних i службових властивостей вторинних силутшв: автореф . дис . ... д-р техн . наук . Заж^жжя, 2008. 34 с .
2 . Пригунов С. В. Структуроутворення та механiчнi властивосп доевтектичних залiзовмiсних силумшв, оброблених у редкому станi однополярним iмпульсним електричним струмом: автореф . дис . . канд . техн . наук . Днiпропетровськ, 2014 . 21 с .
3 . Марукович Е. И. Модифицирование сплавов / Е . И . Марукович, В . Ю . Стеценко . Минск: Беларуская навука, 2009 . 192 с .
4 . Марукович Е. И. Получение литейных сплавов с инвертированной структурой / Е . И. Марукович, В . Ю . Стеценко // Литье и металлургия . 2001. № 4 . С . 36-39.
5 . Пат. 46094 Украша, МПК (2009) С22С1/00 . Модифжувальний комплекс для алюмшевих сплав1в / Лоза К. М. , Мпжв О . А . , Волчок I . П . (Украша); заявник та патентовласник Заж^зький нацiональний технiчний унiверситет. № и200905914; заявл. 09. 06.2009; опубл. 10 .12 .2009, Бюл . № 23 . 4 с .
6 . Лютова О. В. Шдвищення технологiчних та механiчних властивостей доевтектичних вторинних силумшв: автореф . дис . . канд . тенх . наук . Запорiжжя, 2012 . 17 с .
_/Ё КГГ^ г: Г^ГШ?ГТКf] /90
-4 (93), 2018 / ^ W
7 . Фролов Р. А. Наследственное модифицирование вторичных алюминиевых сплавов / Р. А . Фролов, А . А . Митяев, И. П. Волчок, А . С . Петрашев // Строительство, материаловедение, машиностроение: сб . науч. тр . Днипро, 2017. Вып. 95 . С.142-148.
REFERENCES
1. Mityaev A. A. Naukovo-tekhnolohichni osnovy formuvannia struktury, fizyko-mekhanichnykh i sluzhbovykh vlastyvostei vtoryn-nykh syluminiv: avtoref. dis. na zdobuttya stupenya doktora tehn. nauk: spets. 05.02.01 [Scientific and technological bases of formation of structure, physical, mechanical and service properties of secondary silumins: abstract for the degree of doctor of engineering . Sciences specials. 05 .02. 01]. Zaporizhia, 2008, 34p .Available at: http:// www. irbis-nbuv. gov.ua. (in Ukrainian) .
2 . Prigunov S. V. Strukturoutvorennya ta mehanichni vlastivosti doevtektychnyh zalizovmisnyh syluminiv, obroblenyh u ridkomu stani odnopolyarnum impulsnym elektrychnym strumom: avtoref. dis. na zdobuttya stupenya kand. tehn. nauk: spets. 05.16.01 [Structure formation and mechanical properties of hypoeutectic iron-bearing silumines, treated in a liquid state by unipolar pulsed electric current] Dnipropetrovsk, 2014, 21p . Avaliable at: http:// www. irbis-nbuv. gov. ua. (in Ukrainian) .
3 . Marukovich E. I. Modifitsirovanie splavov [Modifying alloys], Minsk, Belaruskaya navuka Publ . , 2009, 192 p . (in Russian) .
4 . Marukovich E. I., Stetsenko V. Yu. Poluchenie liteynyh splavov s invertirovannoy strukturoi [Production of cast alloys with inverted structure] . Lit'e i metallurgija = Foundry production and metallurgy, 2001, no . 4, pp . 36-39.
5 . Loza K. M., Mityayev O. A., Volchok I. P. Modyfikuvalnyi kompleks dlia aliuminiievykh splaviv [Modifying complex for aluminium alloys] Patent UA, no . u200905914, 2009 . (in Russian) .
6 . Lyutova O. V. Pidvyschennia tekhnolohichnykh ta mekhanichnykh vlastyvostei doevtektychnykh vtorynnykh syluminiv: avtoref. dis. na zdobuttya stupenya kand. tehn. nauk: spets. 05.02.01 [Increasing of technological and mechanical properties of hypoeutectic secondary silumins: abstract for the degree of candidate of engineering . Sciences specials. 05 . 02 .01] . Zaporizhia, 2012, 17p . (in Ukrainian).
7 . Frolov R. A., Mityaev A. A., Volchok I. P., Petrashev A. S. Nasledstvennoe modificirovanie vtorichnyh aljuminievyh splavov [Hereditary modification of secondary aluminum alloys] Stroitelstvo. Materialovedenie. Mashinostroenie. Seriia Starodubovskie chteniia = Building. Material science. Mechanical engineering. Series: Starodubov readings, 2017, no . 95, pp . 142-148. Available at: http://nbuv. gov. ua/UJRN/smmsc_2017_95_26 . (in Russian) .
