Научная статья на тему 'Межфазное взаимодействие в литейных алюмоматричных композиционных сплавах на основе системы Al-SiO2'

Межфазное взаимодействие в литейных алюмоматричных композиционных сплавах на основе системы Al-SiO2 Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

CC BY
205
65
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Область наук
Ключевые слова
МЕЖФАЗНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ / ЛИТЕЙНЫЕ АЛЮМОМАТРИЧНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ СПЛАВЫ / СИСТЕМА AL-SIO2

Аннотация научной статьи по химическим наукам, автор научной работы — Арабей А. В.

The results of the analysis of the processes of interfacial interaction in casting alloys, based on the system Al-SiO2, obtained using heterophase (liquid-solid) mixing technology components-silica sand and aluminum are presented.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим наукам , автор научной работы — Арабей А. В.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Interfacial interaction in casting alumina matrix composite alloys based on the system Al-SiO

The results of the analysis of the processes of interfacial interaction in casting alloys, based on the system Al-SiO2, obtained using heterophase (liquid-solid) mixing technology components-silica sand and aluminum are presented.

Текст научной работы на тему «Межфазное взаимодействие в литейных алюмоматричных композиционных сплавах на основе системы Al-SiO2»

97в/ пт^^тшщ^

Ы U / 3 (67), 2012-

c !

The results of the analysis of the processes of interfacial interaction in casting alloys, based on the system Al-SiO2, obtained using heterophase (liquid-solid) mixing technology components-silica sand and aluminum are presented.

V_J

А. В. АРАБЕй, БНТу

Научный руководитель канд. техн. наук, доцент И. В. РАФАЛьСКИй, БНТу

межфазное взаимодействие в литейных алюмоматричных композиционных сплавах на основе системы Al-Si02

УДК 621.74

Введение

Сплавы алюминия с кремнием (силумины) являются одними из важнейших литейных сплавов, используемых в промышленности. Разработка ресурсосберегающих технологий производства отливок из силуминов, синтезированных из алю-моматричных композиций с использованием вторичного металлосырья и доступных кварцевых материалов, является актуальной задачей цветно-литейного производства.

В настоящей работе представлены результаты микроструктурного анализа алюмоматричных композиций, полученных с использованием гетеро-фазной (жидко-твердофазной) технологии смешивания компонентов - кварцевого песка и алюминия, изучены закономерности влияния основных легирующих элементов и примесей, содержащихся в компонентах алюмоматричных кварцсодержа-щих композиций (ЛАМК), на процесс восстановления кремния при синтезе силуминов.

Результаты и их обсуждение

Литейные алюмоматричные композиции, использованные для получения синтетических сплавов системы Al-Si, представляют сложную многокомпонентную систему, в состав которой входят алюминий или сплавы на его основе, а также наполнители, содержащие кварцевые материалы (кварцевый песок, бой кварцевого стекла и т. п.). С целью равномерного распределения несмачивае-мых дисперсных частиц наполнителя в матричном расплаве ЛАМК получали путем введения кварцевых материалов в алюминий, находящийся в гете-рофазном состоянии [1, 2].

Анализ возможности протекания химической реакции между оксидом кремния и алюминием

проводили на основе термодинамических расчетов изобарно-изотермических потенциалов (энергии Гиббса) в интервале температур 293-1600 К с учетом возможных полиморфных состояний оксида кремния.

Оксид кремния обладает сложным полиморфизмом, т. е. способностью менять кристаллическую структуру при изменении термодинамических условий. В настоящее время известно более десяти форм кристаллического кремнезема и несколько видов кремнеземистого стекла. Часть форм кристаллического кремнезема, называемых основными, встречается в природе и образуется в технических продуктах при нормальном давлении. К ним относятся а- и р-кварц, а-, в- и у-три-димит, а- и в-кристобалит. Превращение между модификациями кварц, тридимит и кристобалит протекает медленно, а превращение между а-, в-и у-модификациями - с большими скоростями, обусловленными малыми изменениями в кристаллической решетке [3].

Термодинамические расчеты проводили с учетом нелинейных зависимостей теплоемкости от температуры по данным работ В. А. Рябина, М. А. Остроумова, Г. В. Самсонова, В. П. Глушко, А. П. Зефирова., К. П. Мищенко и др., а также с использованием электронной базы данных Национального института стандартов и технологии США. Энергия Гиббса рассчитывалась с учетом изменения энтальпии, энтропии и теплоемкости конечных и начальных продуктов реакции [4]:

AG° = AH° - T AS°.

(1)

Зависимости AH^ и AS£ от температуры имеют вид:

Тир

АН? = ДЯ2°98 + J ACpidT + АНИр +

298

Тпл Т

J ACp2dT + АН ИЛ + J ACp3dT,

Тир Тпл

(2)

AC

AS°T =AS°298 + J

298

Pl

T

dT + AS°np +

ACp 2

Тпр

T

dT + ASO

+ T ^

Тпл

(3)

T

dT.

где Тпр - температура полиморфного превращения,

К; Тпл - температура плавления, К; АСр1, АС}

АСрз, - теплоемкости в соответствующих температурных интервалах, Дж/(моль-К); АЯ°пр, АН°пл -изменение энтальпии соответственно при полиморфном превращении и плавлении, Дж/моль; А5°пр, А5°пл - изменение энтропии соответственно при полиморфном превращении и плавлении, Дж/моль; АН°298 - изменение энтальпии при образовании соединения из простых веществ в стандартных условиях, Дж/моль; А5°298 - стандартное значение энтропии, Дж/(моль-К).

Зависимости энергии Гиббса от температуры реакций взаимодействия кварцсодержащих материалов с алюминием с учетом полиморфных превращений приведены на рис. 1, 2.

Несмотря на то что значения изменений энергии Гиббса, вычисленные по данным различных работ, существенно отличаются между собой, результаты

г^г: г: ктмттг. /977

-3 (67), 2012 / fcf Ш

термодинамического анализа реакции между алюминием и оксидом кремния подтверждают возможность протекания реакции в системе AI-SÍO2 для всех полиморфных состояний оксида кремния при температурах выше температуры плавления алюминия и сплавов на его основе. Это свидетельствует о теоретической возможности использования недорогих и доступных кварцевых песков для синтеза сплавов системы Al-Si. При этом анализ зависимости энергии Гиббса реакций взаимодействия алюминия и оксида кремния с учетом различных полиморфных состояний показал, что с повышением температуры значения энергии Гиббса увеличиваются, следовательно, восстановительный процесс при более высоких температурах будет протекать менее интенсивно.

На процесс восстановления кремния в ЛАМК при использовании формовочного кварцевого песка при синтезе силуминов существенное влияние могут оказывать присутствующие в формовочном кварцевом песке примеси: щелочные и щелочноземельные оксиды (Na2O, K2O, CaO, MgO), полевые шпаты (натриево-известняковые и калиевые), слюда, оксиды и гидраты оксидов железа, магнитный железняк, ильменит (FeOTiO2), карбонаты (кальцит СаСО3, магнезит MgCO3, сидерит FeCO3), глинистые минералы (каолинит, монтмориллонит, гидрослюды) и др. Таким образом, в системе Al-Si02 алюминий может вступить во взаимодействие как с частицами оксида кремния (кварца), так и с примесями, находящимися в наполнителе.

Рис. 1. Зависимость энергии Гиббса реакции взаимодействия оксида кремния с алюминием от температуры (в интервале 293-1600 К) с учетом полиморфных превращений кремнезема, рассчитанные по данным работ: 1 - [4]; 2 - [5]; 3 - [6, 7]; 4 -

[8]; 5 - [9]; б - [10]

278/

г: гшшгггта

3 (67), 2012-

••«50

.с Г С :•:

с| я»

X

О <3

•«00

1 л

1.2 у JZ*- 3

<0 «09 Ю0 »00 UOO 1*0 моо

Температура, К

Рис. 2. Зависимость энергии Гиббса реакции взаимодействия кварцевого стекла с алюминием от температуры (в интервале

293-1600 К), рассчитанные по данным работ: 1 - [4]; 2 - [5]; 3 - [6, 7]

Анализ возможности протекания химических реакций между алюминием и примесями, содержащимися в формовочных кварцевых песках, проводили на основе термодинамических расчетов изобарно-изотермических потенциалов (энергии Гиббса) в интервале температур до 1300 К. Результаты термодинамических расчетов при возможном взаимодействии компонентов алюмоматричных кварцсодержащих композиций при синтезе силуминов приведены на рис. 3, 4.

Анализ результатов термодинамических расчетов показывает, что теоретически в изученном интервале температур возможно восстановление алюминием, помимо кремния, также железа, марганца, титана из их оксидов и кальция из его карбоната. Следует отметить, что увеличение содержания железа в расплаве алюминия является нежелательным, так как в процессе кристаллизации литейных сплавов системы Al-Si-Fe происходит

образование иглообразных включений p-Al5FeSi-фазы, снижающей механические свойства сплава. Таким образом, при использовании в качестве наполнителей кварцсодержащих материалов необходимо ограничить в них содержание оксида железа на минимально возможном уровне.

При наличии примесей силикатов щелочных металлов и глинистой составляющей в кварцсодержащих наполнителях также возможно протекание химических реакций между алюминием и указанными веществами. При взаимодействии алюминия с силикатами щелочных металлов термодинамически возможно образование в расплаве алюминия Si, № (К), Na2O, А1203. При взаимодействии алюминия с компонентами глинистой составляющей термодинамически возможно образование в расплаве алюминия Si, А1203. Образование оксида натрия является термодинамически менее вероятным, чем образование №. В связи с тем что

Рис. 3. Зависимость изобарно-изотермического потенциала реакций взаимодействия алюминия с основными примесями, содержащимися в кварцевом песке

/тггг197q

-3 (67), 2012 / fcf W

Рис. 4. Зависимость изобарно-изотермического потенциала реакций взаимодействия алюминия с компонентами глинистой

составляющей кварцевых песков

№ (К) являются модификаторами эвтектического кремния, наличие их в расплаве может оказать дополнительный модифицирующий эффект.

При наличии в расплаве оксидов щелочных металлов (^20, К2О) термодинамически возможно протекание реакций, в которых восстановленный кремний может взаимодействовать с алюминием, кислородом печной атмосферы и указанными оксидами с образованием силикатных соединений. При этом изобарно-изотермический потенциал таких реакций характеризуется очень низкими значениями, что указывает на высокую вероятность такого рода взаимодействия.

В алюмоматричных кварцсодержащих композициях легирующие элементы и примеси, находящиеся

в сплаве на основе алюминия, могут вступать во взаимодействие с оксидами кремния и алюминия. Анализ результатов термодинамических расчетов между оксидом кремния и основными легирующими элементами и примесями литейных сплавов на основе алюминия показал, что химическое взаимодействие возможно с магнием и титаном с образованием их оксидов и кремния (рис. 5).

Основной фазой, образующейся в результате химического взаимодействия кварцсодержащих материалов с алюминием, является оксид алюминия (А12О3), термодинамически устойчивый к воздействию основных легирующих элементов и примесей литейных сплавов на основе алюминия кроме магния (рис. 5).

Влияние способа обработки формовочного кварцевого песка на расчетное содержание кремния в синтетическом

сплаве, полученном из ЛАМК

Способ обработки формовочного кварцевого песка Sicp, % S 2 ASi, ±%

Исходное состояние (без обработки) 5,7 0,65 2

Гидравлическая обработка 8,9 0,06 0,6

Обработка 0,5%-м раствором №С1 1,3 0,27 1,3

Обработка 15%-м раствором ЫаС1 0 0 0

Обработка 0,5%-м раствором НЕ 5 1,46 3

Обработка 0,5%-м раствором №0Н 5,5 0,37 1,5

Механическая активация после гидравлической обработки 4,8 1,27 2,8

Механическая активация с добавление порошка А1 после гидравлической обработки 7,3 0,27 1,3

П р и м е ч а н и е. Содержание кварцевого песка в ЛАМК - 20 % от массы алюминия; Sicp - среднее содержание кремния по результатам трех повторных опытов; SS¡ - дисперсия; ASÍ - доверительный интервал.

280/

г: гшшгггта

3 (67), 2012-

Рис. 5. Зависимость изобарно-изотермического потенциала реакций взаимодействия оксидов кремния и алюминия с основными легирующими элементами и примесями литейных сплавов на основе алюминия

В таблице приведены результаты влияния различных способов физико-химической обработки (гидравлической, механической активации в шаровой мельнице, обработки 0,5 %-ными водными растворами щелочи №ОН и плавиковой кислоты, 0,5- и 15 %-ными водными растворами хлорида натрия) формовочного кварцевого песка, использованного для получения ЛАМК, на процесс восстановления кремния.

Как видно из полученных экспериментальных данных, использование гидравлической обработки с последующей сушкой формовочного кварцевого песка для приготовления ЛАМК Al-20%SiO2 обеспечивает повышение содержания кремния в расплаве синтетического силумина в среднем в 1,6 раза.

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

Выводы

На основании результатов проведенных исследований установлено увеличение содержания кремния, восстановленного из формовочного кварцевого песка алюминием при синтезе силуминов из ЛАМК, в расплаве алюминия после применения гидравлической обработки формовочного кварцевого песка, использованного для получения ЛАМК. При использовании ЛАМК на основе алюминия и 20% формовочного кварцевого песка после его гидравлической обработки содержание кремния в расплаве алюминия увеличивается в среднем в 1,6 раза, что объясняется снижением количества оксидных соединений щелочных металлов (натрия, калия) и уменьшением доли мелкоразмерной фракции (до 0,1 мм) кварцевого песка.

Литература

1. А р а б е й А. В., Р а ф а л ь с к и й И. В. Синтез алюминиево-кремниевых сплавов методом прямого восстановления кремния с использованием алюмоматричных композиционных лигатур // Литье и металлургия. 2011. № 3. С. 19-25.

2 . Р а ф а л ь с к и й И. В. Получение литейных композиционных материалов из алюминиевых сплавов в гетерофазном состоянии с дисперсными наполнителями // Литье и металлургия. 2011. № 3. С. 26-31.

3 . Б о б к о в а Н. М. Физическая химия тугоплавких неметаллических и силикатных материалов: учеб. Минск: Вышэйш. шк., 2007.

4 . Термодинамические свойства веществ: справ. / В. А. Рябин, М. А. Остроумов, Т. В. Свит. Л.: Химия, 1977.

5 . Физико-химические свойства окислов: справ. / Г. В. Самсонов [и др.]. М.: Металлургия, 1978.

6 . Термодинамические свойства индивидуальных веществ: справ. изд.: в 4 т. / под ред. В. П. Глушко [и др.]. 3-е изд. М.: Наука, 1979. Т. 2.

7 . Термодинамические свойства индивидуальных веществ: справ. изд.: в 4 т. / под ред. В. П. Глушко [и др.]. 3-е изд. М.: Наука, 1981. Т. 3.

8 . Термодинамические свойства неорганических веществ: справ. / под ред. А. П. Зефирова [и др.]. 3-е изд. М.: Амотиздат, 1965.

9 . Краткий справочник физико-химических величин / под ред. К. П. Мищенко, А. А. Равделя. Л.: Химия, 1974.

10. NIST Standard Reference Database Number 69 [Электронный ресурс]. USA, 2011. Режим доступа: http:// www.Chemistry WebBook.htm. Дата доступа: 10.05.2012.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.