CC BY
231
УДК 621.74:669.714
МОДИФИЦИРОВАНИЕ СИЛУМИНОВ МЕЛКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИМИ АЛЮМИНИЕВЫМИ СПЛАВАМИ
В. Ю. СТЕЦЕНКО, А. И. РИВКИН, А. П. ГУТЕВ,
Р. В. КОНОВАЛОВ
Государственное научное учреждение «Институт технологии металлов Национальной академии наук Беларуси», г. Могилев
Введение
В настоящее время самым распространенным модификатором доэвтектических и эвтектических силуминов является натрийсодержащий флюс, позволяющий наиболее эффективно измельчать алюминиево-кремневую эвтектику, но практически не изменяющий размеры включений зерен а-фазы. Для модифицирования включений первичного кремния заэвтектических силуминов в основном используют фосфорсодержащие лигатуры. Оба вида модификаторов являются экологически небезопасными веществами и не позволяют одновременно измельчать основные фазовые составляющие алюминиево-кремниевых сплавов. Поэтому разработка модифицирующих лигатур, позволяющих одновременно диспергировать все фазовые составляющие силуминов, является актуальной задачей. В связи с этим, в ИТМ НАН Беларуси разработаны более эффективные универсальные мелкокристаллические модификаторы на основе алюминия, обладающие рядом важных качеств: низкая температура плавления, полное усвоение расплавом, дегазирующая способность, минимальное шлакообразование, экологическая безопасность, низкая стоимость [1]. Помимо одновременного измельчения основных фаз сплава, отличительной особенностью таких модификаторов является повышенная модифицирующая способность. Она достигается сочетанием активных добавок титана и сурьмы с высокой дисперсностью микроструктуры модификатора. Ультрадисперсная микроструктура оказывает дополнительное модифицирующее воздействие на расплав силуминов в соответствии с принципом структурной наследственности [2]-[4]. Отсутствие натрия и фосфора в составе лигатуры обеспечивает экологическую безопасность ее применения.
Постановка задачи
Задача настоящей работы - определить принципиальную возможность измельчения основных фазовых составляющих структуры алюминиево-кремниевых сплавов мелкокристаллическим алюминиевым сплавом с добавлениями титана и сурьмы.
Методика проведения экспериментов
Мелкокристаллический алюминиевый сплав с добавками титана и сурьмы с ультрадисперсной микроструктурой (МАС-1) получали в виде заготовок диаметром 50 мм и высотой 160 мм на опытно-экспериментальной установке методом литья закалочным затвердеванием [5]-[7]. Микроструктура МАС-1 состояла из зерен а-фазы размером 20^40 мкм, кристаллов эвтектического кремния дисперсностью менее 1 мкм и интерметаллидов, содержащих титан и сурьму. Данный модификатор был опробован при литье в стальной кокиль заготовок диаметром 30 мм и высотой 120 мм из сплавов АК9, АК12 и АК18. В качестве шихтовых материалов использовались чушки первичного алюминия марки А7 по ГОСТ 11070-2001 и вторичного алюминия АК12 по ГОСТ 1583-93, а также кристаллический кремний марки КР-1 по ГОСТ 2169-69. Расплавы готовили в электропечи сопротивления «8по!-1300» в ша-
мото-графитовом тигле. Температура перегрева металла составляла 850 °С. МАС-1 в количестве 0,5 % от массы расплава в кусковом виде фракцией 5 ^ 10 мм вводили в расплав механическим замешиванием графитовым прутком. При растворении модификаторов не наблюдалось образования шлака и выделений вредных газов. Из середины полученных отливок вырезали образцы, которые шлифовали, полировали и травили водным раствором кислот (2 % HCl + 3 % hN03 + 1 % HF). Структуру шлифов исследовали методом металлографического анализа с помощью аппаратнопрограммного комплекса на базе микроскопа «Carl Zeiss Axiotech vario». Промышленное испытание сплава МАС-1 проводилось на ЧУП «Випра» (г. Гомель). Модифицировали структуру отливок «Корпус редуктора» из сплава АК12, получаемых литьем под давлением. Модифицирующую обработку жидкого металла проводили в индукционной раздаточной печи емкостью 120 кг при температуре 680 °С. В качестве шихты использовали чушки первичного сплава АК12 с химическим составом согласно ГОСТ 1583-93. Модификатор в количестве 0,5 % от массы расплава в виде кусков не более 10 15 мм вводили механическим замешиванием в расплав. При
этом не образовывалось шлаков и экологически небезопасных газовых выделений. После модифицирования расплав не подвергали рафинированию и фильтрованию. Модифицированный расплав АК12 разливали в течение 1,5 ч на машине литья под давлением модели А711А08. Эффект модифицирования расплава МАС-1 сохранялся на протяжении всей разливки. В результате эксперимента была получена опытная партия заготовок «Корпус редуктора» в количестве 1000 шт. Из самой массивной части отливки вырезали образцы, которые шлифовали, полировали и травили водным раствором кислот (2 % HCl + 3 % HNO3 + 1 % HF). Их микроструктуру исследовали с помощью аппаратно-программного комплекса на базе микроскопа «Carl Zeiss Axiotech vario». В центральной заводской лаборатории ЧУП «Випра» проводились механические испытания опытной партии отливок на герметичность.
Для определения дисперсности микроструктур методом сравнительного анализа в качестве критерия дисперсности доэвтектических и эвтектических силуминов была выбрана толщина первичных зерен a-фазы. При исследовании структур заэвтектиче-ских силуминов дисперсность определяли по размерам кристаллов первичного и эвтектического кремния.
Результаты эксперимента и их обсуждение
Микроструктура немодифицированных отливок из сплава АК9 состояла из первичных зерен a-фазы толщиной 40 ^ 60 мкм и кристаллов эвтектического кремния дисперсностью 10 ^ 15 мкм (рис. 1, а). Модифицирование АК9 МАС-1 в количестве 0,5 % от веса расплава уменьшило толщину первичных зерен a-фазы до 10 ^ 15 мкм, а дисперсность кристаллов эвтектического кремния увеличилась до 5 ^ 7 мкм (рис. 1, б).
а) б)
Рис. 1. Микроструктура отливок диаметром 30 мм из сплава АК9 при литье в стальной кокиль: а - без применения модификаторов; б - модифицированная МАС-1
Таким образом, обработка доэвтектического силумина АК9 МАС-1 в количестве 0,5 % от массы расплава при литье в стальной кокиль позволяет измельчить размер первичного зерна а-фазы в среднем в 4 раза, а размер эвтектического кремния - в среднем в 2 раза.
Микроструктура отливок из силумина АК12, полученных без применения модифицирующих добавок, была представлена в виде крупных зерен а-фазы толщиной 50 ^ 60 мкм и эвтектикой с дисперсностью кристаллов эвтектического кремния 15 ^ 20 мкм (рис. 2, а). Структура сплава после обработки МАС-1 состояла из мелких зерен а-фазы размером 20 ^ 25 мкм и алюминиево-кремниевой эвтектики с измельченным кремнием глобулярной формы дисперсностью 2 ^ 3 мкм (рис. 2, б).
а) б)
Рис. 2. Микроструктура отливок диаметром 30 мм из сплава АК12 при литье в стальной кокиль: а - без применения модификаторов; б - модифицированная МАС-1
Следовательно, обработка эвтектического силумина АК12 МАС-1 в количестве
0,5 % от массы расплава при литье в стальной кокиль позволяет измельчить размер первичного зерна а-фазы в среднем в 2,5 раза, а размер кристаллов эвтектического кремния - в среднем в 7 раз.
Микроструктура отливок «Корпус редуктора» из сплава АК12, полученных при литье под давлением по заводской технологии, состояла из а-фазы с размерами зерен 40 ^ 50 мкм и эвтектики с дисперсностью кристаллов эвтектического кремния до 20 мкм. Обработка расплава модификатором МАС-1 позволила измельчить зерна а-фазы до размеров 10 ^ 15 мкм и получить эвтектический кремний округлой форме диаметром не более 1 мкм. По сравнению с обычной заводской технологией, модифицирование МАС-1 позволило: увеличить дисперсность а-фазы в среднем в 4 раза; уменьшить размер кристаллов эвтектического кремния в среднем в 20 раз; снизить брак по негерметичности в среднем на 14,7 %.
Структура заготовок из литого заэвтектического силумина АК18 состояла из крупных включений первичного кремния и эвтектики, в которой кремний находится в виде грубых игл и пластин (рис. 3, а). Микроструктура отливок из АК18 после обработки МАС-1 представлена в виде мелких кристаллов первичного кремния и округлых включений эвтектического кремния (рис. 3, б). Дисперсности кристаллов первичного и эвтектического кремния отливок из АК18 до введения модификатора составляли 100 ^ 110 мкм и 5 ^ 8 мкм, а после введения в количестве 0,5 % от массы расплава - 25 ^ 30 мкм и 2 ^ 4 мкм соответственно.
Установлено, что обработка заэвтектического силумина АК18 МАС-1 в количестве 0,5 % от массы расплава позволяет измельчить включения первичного кремния в среднем в 4 раза, а алюминиево-кремневую эвтектику - в среднем в 2 раза.
а) б)
Рис. 3. Микроструктура отливок диаметром 30 мм из сплава АК18 при литье в стальной кокиль: а - без применения модификаторов; б - модифицированная МАС-1
Заключение
Определена принципиальная возможность применения мелкокристаллического сплава на основе алюминия, содержащего титан и сурьму, в качестве модификатора основных фазовых составляющих структуры алюминиево-кремниевых сплавов. Установлено, что обработка этими модификаторами доэвтектических, эвтектических и заэвтектических силуминов в количестве 0,5 % от веса расплава позволяет одновременно диспергировать основные фазовые составляющие отливок от 2 до 20 раз и повысить экологическую безопасность процессов литья. При литье под давлением отливок из силумина АК12 введение таких мелкокристаллических алюминиевых сплавов позволяет снизить брак по газоусадочной пористости в среднем на 14,7 %.
Литература
1. Стеценко, В. Ю. Универсальные структурно-высокодисперсные силуминовые модификаторы сплавов / В. Ю. Стеценко // Технологии, оборудование, качество : тез. докл. 11-го междунар. симп., Минск, 13-16 мая 2008 г. / ВП «Экспофорум». -Минск, 2008. - С. 101.
2. Никитин, В. И. Наследственное влияние мелкокристаллических модификаторов на свойства алюминиевых сплавов / В. И. Никитин // Литейн. пр-во. - 2002. - № 10. -С. 16-18.
3. Кандалова, Е. Г. Влияние структурных параметров лигатуры А1-Т на свойства А1-сплавов / Е. Г. Кандалова, К. В. Никитин // Литейн. пр-во. - 2000. - № 10. -С. 21-22.
4. Влияние мелкокристаллической лигатуры Л1-Т на прочность заэвтектического силумина АК21М2,5Н2,5 / К. В. Никитин [и др.] // Литейн. пр-во. - 2000. -№ 10. - С. 12-13.
5. Повышение эффективности охлаждения отливок из силуминов при литье закалочным затвердеванием / В. Ю. Стеценко [и др.] // Литье и металлургия. - 2006. -№ 2. - С. 128-129.
6. Стеценко, В. Ю. Литье силуминов в кокиль со струйной системой охлаждения / В. Ю. Стеценко, С. Л. Радько // Литье и металлургия. - 2006. - № 2. -С. 136-138.
7. Способ литья заготовок : пат. 2288067 ЯИ, МПК В2207/00, В2207/04 / В. Ю. Стеценко, Е. И. Марукович ; заявитель Ин-т технологии металлов НАН Беларуси ; за-явл. 08.02.05 г.
Получено 23.10.2008 г.
