CC BY
53
Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733
Металлургиздат, 1960. - 600 с.
8. Еланский Г.Н. Разливка и кристаллизация стали / Г.Н. Еланский. - М.: МГВИ, 2010. - 192 с.
Bibliography:
1. Skrebtsov A.M. The optimum heating temperature of the liquid metal in melting units. Two temperature iron-based alloys / A.M. Skrebtsov // casting process. - 2011. - № 1. - P. 3-9. (Rus.)
2. Liquidus temperature of the metal melt and its effect on the amount of oxide inclusions / A.M. Skrebtsov etc. // Actual problems of modern metallurgy. Collection of scientific works dedicated to 100-anniversary of Professor M. Medzhibozhskogo. - Mariupol: PSTU. - 2012. P. 79-83. (Rus.)
3. Effect of temperature and holding time of the melt in her quality of solidified casting / A.M. Skrebtsov // News PDTU. - № 22. - 2011. - Р. 140-144. (Rus.)
4. Wasilewski P.F. Technology Stolny casting / P.F. Vasilevsky. - М.: Mashinostroenie, 1974. - 408 p. (Rus.)
5. Kolosov M.I. Quality of killed steel ingot / M.I. Kolosov etc. - M.: Metallurgy, 1973. - 408 p. (Rus.)
6. Karnaukhov M.M. Metals steel / MM Karnaukhov: Bessemer and Thomas processes, - L. - M.: DSTI NKTP, 1934 - 246 p. (Rus.)
7. Leikin V.E. Electrometallurgy steel and ferroalloys / V.E. Leikin, P.A. Sakharuk. - M., Metallurgy, 1960. - 600 р. (Rus.)
8. Elanskii G.N. Steel casting and crystallization / G.N. Elanskii. - M.: MGVI, 2010. - 192 p. (Rus.)
Рецензент: В.Г. Ефременко
д-р техн. наук, проф. ГВУЗ «ПГТУ»
Статья поступила 25.03.2013
УДК: 621.745.55
© Троцан А.И.1, Каверинский В.В.2, Бродецкий И.Л.3, Воронич В.А.'
МОДИФИЦИРОВАНИЕ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА ДИСПЕРСНЫМ
ПОРОШКОМ АЬОз
В условиях лабораторного эксперимента проведено исследование модифицирования отливок из алюминиевого сплава порошком А1203. Показано существенное измельчение структуры и возрастание механических свойств в модифицированном металле. Установлена зависимость характеристик структуры и свойств от расхода модификатора.
Ключевые слова: модифицирование, алюминий, отливка, структура, механические свойства, оксид алюминия.
Троцан А.1., Каверинський В.В., Бродецький 1.Л., Воронич В.А. Модифшування алюмШевого сплаву дисперсним порошком А1203. В умовах лабораторного експе-рименту проведене досл1дження модиф1кування виливок з алюм1тевого сплаву порошком А1203. Показано суттеве здр1бнення структури 7 зростання мехамчних властивостей у модиф1кованому метал1. Встановлена залежмсть характеристик структури 7 властивостей в1д розходу модиф1катора.
Ключовi слова: модиф1кування, алюмтт, виливка, структура, мехатчт властиво-ст1, оксид алюмтт.
1 д-р техн. наук, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь
2 вед. инженер, аспирант, Институт проблем материаловедения НАН Украины, г.Киев
3 канд. техн. наук, с. н. с., Институт проблем материаловедения НАН Украины, г.Киев
4 магистрант, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь
Сер^я: Техшчш науки ISSN 2225-6733
A.I. Trotsan, V.V. Kaverinskiy, I.L. Brodetskiy, V.A. Voronich. Modification of an aluminium alloy by disperse particles. In the conditions of laboratory experiment exploration of modifying of casts from an aluminium alloy by powder Al2O3 was is carried out. Substantial structure improvement and increase of mechanical properties in the modified metal is shown. Dependence structure characteristics of and properties on the modifying agent consumption is fixed.
Keywords: modification, aluminium, cast, structure, mechanical properties, aluminium oxide.
Постановка проблемы. Эффективным методом улучшения структуры литого металла является модифицирование порошковыми модификаторами, которые становятся центрами принудительной кристаллизации (инокуляторов) [1, 2]. На данный момент в литературе накоплен значительный опыт исследований управления первичным структурообразованием, в том числе при вводе модификаторов второго рода. Однако, вопросы закономерностей изменения структуры и механических свойств деформируемых алюминиевых сплавов в исходном (литом) состоянии за счёт ввода инокуляторов изучены недостаточно. При этом известно, что они могут оказывать существенное влияния на показатели качества сплава в деформированном и тер-мообработанном состоянии. Таким образом, задача экспериментального исследования влияния модифицирования на характеристики алюминиевах сплавов типа дюралюминов в литом состоянии является актуальной и научно обоснованной.
Анализ последних исследований и публикаций. Ранее в работах [3, 4] нами рассмотрено применение инокуляторов для модифицирования железоуглеродистых сплавов. Данный подход применим и при разливке цветных металлов и сплавов, в частности алюминиевых. В качестве инокуляторов них известны примеры использования порошков интерметаллида TiAl3, SiC, TiN или TiC [5]. В данной работе рассмотрено применение в качестве модификатора порошка Al2O3, основным достоинством которого является его доступность по сравнению с вышеперечисленными вариантами.
Цель статьи - установление закономерностей изменения характеристик структуры и механических свойств алюминиевого сплава при вводе в качестве инокулятора порошка оксида алюминия.
Изложение основного материала. Материал и методика эксперимента. Из алюминиевого сплава марки Д16 было отлито 12 цилиндрических образцов диаметра 27 мм, высотой 50 мм. Разливка осуществлялась в чугунные формы, внешнее поперечное сечение которых составляло 100^85 мм, высота -80 мм. Температура металла в разливочном ковше 750 °С, температура воздуха в помещении 15 °С. Изготовлено три типа образцов (по 4 штуки): без добавления модификатора, с добавлением 0,05% и 0,10% порошка Al2O3. Фракция порошка составляла 10...30 мкм. Модификатор вводился в разливочный ковш перед разливкой, расплав подвергался перемешиванию. Микроструктуры образцов исследовались на металлографическом микроскопе МИМ-8. Травление производилось в 7% растворе KOH в течении ~ 1 мин и ~ 15 мин. Твёрдость измерялась по методу Викерса.
Результаты исследования микроструктуры. На рисунке 1 приведены микроструктуры образцов, из которых видно заметное измельчение зерна при модифицировании.
Рис. 1 - Микроструктура опытных образцов: а) не модифицированный; б) модифицированный 0,05% А1203; в) модифицированный 0,10% А1203
Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733
Характеристики микроструктуры приведены в таблице 1. Различия в параметрах структуры образцов одного типа для всех групп статистически незначимы, следовательно, сравнение совокупных данных корректно.
Более длительное травление (~15 мин) позволило установить, что кристаллы объединены в конгломераты, размер которых составляет 0,25...0,50 мм в сравнительных и 0,13...0,30 в опытных отливках.
Таблица 1
Тип обработки
Без модифицирования Модифицированный 0,05% АЬОз Модифицированный 0,10% АЬОз
Численные характеристики микроструктуры
Размер зерна, мкм
Средние значения
Интервал варьирования
24 - 160
14 - 113
10 - 106
и доверительный интервал (надёжность 99%) 74 ± 7,5
41 ± 2,6 34 ± 2,7
Из представленных данных видно, что средний размер зерна в модифицированных и не-модифицированных образцах существенно различается. Отсутствие перекрывания доверительных интервалов говорит о статистической значимости различия средних значений. Размер зерна имеет во всех случаях сильный разброс, интервалы варьирования перекрываются. Однако следует отметить, что в модифицированных образцах, в сравнении с немодифицированными, мелких зёрен значительно больше, а крупных меньше. Разница между модифицированными 0,05% и 0,10% А1203 выражена слабее. Можно отметить, что в модифицированных 0,10% А1203 размеры наиболее крупных и наиболее мелких зёрен несколько меньше. Тем не менее, сравнение средних [6] показывает статистическую значимость различия.
Таким образом, ввод модификатора А1203 обеспечивает измельчение среднего размера зерна в 1,8.2,2 раза. Увеличение расхода модификатора с 0,05% до 0,10% приводит к дополнительному измельчению микроструктуры на 17%.
Определение механических свойств. Результаты измерения механических свойств образцов приведены в таблице 2, из которой видно, что ввод модификатора оказывает влияние на показатели твёрдости и прочности. Сравнение средних значений твёрдости между однотипными образцами в каждом из случаев показало статистическую незначимость разницы, что позволяет объединять данные по каждому типу для сравнения соответствующих групп между собой (немодифицированных, модифицированных с расходом порошка 0,05% и расходом 0,10%).
Таблица 2
Влияние модифицирования на механические свойства образцов
Тип обработки
Без модифицирования
Модифицированный 0,05% А12О3 Модифицированный 0,10% А12О3
Твёрдость,
кгс/мм2 56,1 - 84,5 *
69,9±3,2 71,3 - 101,6
83,9±3,3 80,5 - 116,1 96,3±5,6
Н/мм2 205 - 305 245±11 260 - 370 305±12 290 - 420 350±20
* числитель - интервал варьирования, знаменатель - среднее ± доверительный интервал
Сравнение значений твердости немодифицированных образцов с модифицированными с расходом модификатора 0,05% показало, что сводный доверительный интервал, для степени надёжности 95% равный 5,2, значительно меньше разницы средних, составляющей 14,0. Следовательно, увеличение твёрдости при вводе 0,05% модификатора статистически значимо. При сравнении не модифицированных образцов с модифицированными при расходе модификатора
Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733
0,10% было установлено, что дисперсии неоднородны и сравнение проводилось по методу из работы [7]. Разница средних значений, составляющая 26,4 значительно превосходит значение Т-критерия, рассчитанного для 95% надёжности, составляющего 7,2. Следовательно, ввод 0,10% модификатора также приводит к значительному повышению твёрдости.
Была проведена статистическая проверка значимости различия твёрдости образцов при модифицировании с расходом модификатора 0,05 и 0,10%. Дисперсии в этом случае также оказались неоднородны. Разница средних значений твёрдости составила 12,4, что больше Т-критерия для степени надёжности 95% составляющего 9,8. Следовательно, увеличение расхода А1203 до 0,10% приводит к статистически значимому увеличению твёрдости. Таким образом, нами установлено, что ввод порошка А1203, с расходом 0,05...0,10% (по массе) при производстве отливок из алюминиевых сплавов позволяет увеличить твёрдость и прочность металла. При вводе 0,05% модификатора твёрдость и прочность возрастают в 1,23 раза, а при вводе 0,10% - в 1,41 раза по сравнению с не модифицированным металлом. Увеличение расхода с 0,05 до 0,10% позволяет повысить твёрдость и прочность на 13 - 15%.
На графиках рисунка 2 приведены зависимости средних значений размеров зерна, твёрдости и предела прочности от расхода модификатора, из которых видно, что измельчение структуры хорошо коррелирует с ростом механических свойств. Увеличение расхода модификатора с 0,05% до 0,10% приводит к не столь значительным изменениям, как ввод 0,05% по сравнению с немодифицированным металлом.
Рис. 2 - Зависимость средних значений размеров зерен (а), твёрдости (б) и предела прочности (в) от расхода модификатора
Выводы
1. Показано, что ввод порошка оксида алюминия А1203 фракцией 20.40 мкм в расплав алюминия обеспечивает существенное (в 1,8 - 2,2 раза) измельчение микроструктуры, что обеспечивает повышение твёрдости и предела прочности в 1,2 - 1,4 раза.
2. Увеличение расхода модификатора с 0,05% до 0,10% приводит измельчению структуры на 17%, что сопровождается ростом твёрдости и предела прочности на 13 - 15%.
Список использованных источников:
1. Гольдштейн Я.Е. Модифицирование и микролегирование чугуна и стали / Я.Е. Гольдштейн, В.Г. Мизин. - М.: Металлургия, 1986. - 272 с.
2. Исследование модифицирования металла нанопорошковыми инокуляторами в кристаллизаторе сортовой машины непрерывного литья заготовок. Теоретическое обоснование / В.П. Комшуков, А.Н Черепанов, Е.В. Протопопов [и др.] // Известия ВУЗ. Чёрная металлургия. - 2008. - №8. - С. 10-11.
3. Троцан А.И. Оптимизация модифицирования железоуглеродистых расплавов дисперсными порошками тугоплавких соединений / А.И. Троцан, В.В. Каверинский, И.Л. Бродецкий // Актуальные проблемы современной металлургии. - Мариуполь, 2012. - С. 92-101.
4. Троцан А.1. Визначення оптимальних вихщних розмiру i маси часток модифшатору методом скшчених рiзностей / А.1. Троцан, В.В. Каверинський, 1.Л. Бродецький // Металознавс-тво та обробка металiв. - №2. - 2011. - С. 54-57.
5. Калинина Н.Е. Модифицирующая обработка литейных силуминов дисперсными компози-
Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733
циями / Н.Е. Калинина, А.О. Кавац, В.Т. Калинин // Авиационно-космическая техника и технология. - 2008. - №7. - С. 16-19.
6. Тимошенко Г.М. Теория инженерного эксперимента / Г.М. Тимошенко, П.Ф. Зима. - К.: УМК ВО, 1991. - 124 с.
7. Блохин А.В. Теория эксперимента. Часть 1. / А.В. Блохин. - Мн.: БГУ, 2002. - 68 с.
Bibliography:
1. Goldstein Ja.E. / Modifying and microalloying of iron and steel / Ja.E. Goldstein, V.G. Mizin. -М: Metallurgy, 1986. - 272 p. (Rus.)
2. Exploration of metal modifying by nanopowder inoculators in a sort continuous casting machine crystallizer. Theoretical substantiation / V.P. Komshukov, A.N. Tcherepanov, E.V. Protopopov [etc.] // Informations HIGH SCHOOL. Iron and steel industry. - 2008. - №8. - P. 10-11. (Rus.)
3. Trotsan A.I Optimization of iron-carbon melts modifying by the disperse powders of high-melting compounds / A.I. Trotsan, V.V. Kaverinskiy, I.L. Brodetskiy //Actual problems of the modern metallurgy. - Mariupol, 2012. - P 92-101 (Rus.)
4. Trotsan A.I / Determination of an optimum initial size and mass of modifying agent particles by method of finite differences / A.I. Trotsan, V.V. Kaverinskiy, I.L. Brodetskiy // Physical metallurgy and treatment of metals. - №2. - 2011. - Р. 54-57. (Ukr.)
5. Kalinina N.E. Modifying treatment of foundry silumins by the disperse compositions / N.E. Kalinina, A.O. Kavats, V.T. Kalinin // Aerospace technique and technology. - 2008. - №7. - P. 16-19. (Rus.)
6. Timoshenko G.M Theory of engineering experiment / G.M. Timoshenko, P.F. Zima. - K: TMC HE, 1991. - 124 p. (Rus.)
7. Blohin A.V. Experiment theory. Part 1 / A.V. Blohin. - Mn.: BSU, 2002. - 68 p. (Rus.)
Рецензент: И.Ф. Ткаченко
д-р техн. наук, проф., ГВУЗ «ПГТУ»
Статья поступила 01.02.2013
