CC BY
56
[Шй г г/жштг гя / -¡до
- 1 (45), 2008/ 14V
it is shown that efficiency of modification of hypoeutectic and eutectic silumin is connected with processes of refining of melts from soluted and molecular hydrogen.
В. Ю. СТЕЦЕНКО, ИТМНАН Беларуси удк 621 J4;669 H 2/g
О МОДИФИЦИРОВАНИИ ДОЭВТЕКТИЧЕСКИХ И ЭВТЕКТИЧЕСКИХ СИЛУМИНОВ
Для измельчения зерен (дендритов) ос-фазы (А1) и р-фазы (81) доэвтектических и эвтектических силуминов в основном применяют следующие модифицирующие элементы: Л, 2х, В, Ыа, Бг, 8Ь [1—3]. При их взаимодействии с алюминиево-
кремниевым расплавом образуются возможные тугоплавкие соединения с известными параметрами кристаллических решеток, которые необходимо сравнить с аналогичными для А1 и (см. таблицу).
Параметры кристаллических решеток тугоплавких соединений [4, 5]
Фаза Элементарная ячейка Тип структуры Пространственная группа Па раметры ячейки, нм
a b с
Si Кубическая Алмаз Fd3m 0,543 - -
Al То же Си Fm3m 0,405 - -
TiAl3 Тетрагональная TiAl3 14/ nimm 0,384 - 0,858
ZrAl3 То же ZrAl3 14/ mmm 0,401 - 1,729
A1B2 Гексагональная А1В2 P 6 / mmm 0,300 - 0,325
TiB2 То же AIB2 Р6/ mmm 0,302 - 0,322
ZrB2 То же - - 0,315 - 0,353
AlSb Кубическая ZnS F43m 0,610 - -
TiSi2 Ромбическая TiSi2 Fdcld 0,825 0,478 0,854
ZrSi2 То же ZrSi2 Cmcm 0,372 1,476 0,362
NaSi2 Тетрагональная - - 0,498 - 1,670
NaAlSi4 Кубическая - P2{ 3 0,738 - -
SrSi2 То же SrSi2 P4X 32 0,654 - -
SrAl4 Тетрагональная ВаАЦ 14/ mmm 0,446 - 1,107
B3Si То же - - 0,446 - 1,107
Из таблицы видно, что ни одно из тугоплавких соединений Т1, Ъх, В, Ыа, Бг, БЬ с алюминием и кремнием по параметрам кристаллических решеток не соответствует принципу структурного и размерного соответствия Данкова—Конобеевского по отношению к аналогичным параметрам а- и р-фазы алюминиево-кремниевых сплавов. Поэтому данные модифицирующие элементы не могут быть зародышами при затвердевании эвтектических и доэвтектических силуминов. Т\, 2л, В, Бг образуют с кремнием тугоплавкие соединения, которые могут блокировать рост зародышей р-фазы. Тогда в соответствии с классической теорией модифицирования это должно приводить к измельчению кремния. Именно эти доводы при-
водят для объяснения измельчения эвтектики в силуминах [1,2]. В свете этих общепринятых представлений о процессах модифицирования не понятно: почему Т1, Ъх, В, Бг измельчают только эвтектический кремний, а на первичный оказывают слабое влияние. Поэтому механизм действия этих модификаторов в настоящее время является спорным [3]. Чтобы понять сущность модифицирования эвтектических и доэвтектических силуминов, необходимо найти главный фактор, определяющий этот процесс. Известно, что при кристаллизации ос-фазы происходит газоэвтектическая реакция, связанная со значительным выделением водорода. Например, если в расплаве алюминия обычно содержится 0,69 см3/Ю0 г
icn /шт^гг г^щштгтгп
lull / 1 (а5). 2008 -
водорода, то после затвердевания в растворе остается 0,036 см3/100 г водорода [6]. Это означает, что при кристаллизации а-фазы на ее межфазной границе будут непрерывно зарождаться, расти и удаляться пузырьки водорода. Этот процесс тормозит и блокирует рост зародышей а-фазы. Поэтому при затвердевании немодифицированного силумина их количество будет относительно невелико, а получаемая структура — крупнокристаллическая. Уменьшение концентрации растворенного водорода должно увеличить количество зародышей а-фазы, что приведет к измельчению структуры алюминиево-кремниевого сплава. Установлено, что при обработке расплава АК9 электрическим током содержание водорода в жидком силумине уменьшается с 1,5 до 0,2 см3/100 г, что приводит к модифицированию структуры сплава [7]. При добавке циркония в жидкий технический алюминий концентрация водорода в расплаве уменьшается до 0,1—0,15 см3/100 г, что также измельчает зерно алюминия [8]. Поэтому дегазация водорода в силумине оказывает существенную роль на процессы его кристаллизации. Известно, что Т1, Ъх, 8г, В, БЬ, № при повышенных температурах являются наиболее сильными гид-ридообразующими элементами, имеющими самые низкие значения стандартных свободных энергий образования гидридов [9]. Из них наиболее стойкими при высоких температурах являются гидриды натрия и стронция, которые плавятся без разложения [10]. Соединения Т1, Ъх, 8г, В, 8Ь и № с алюминием, кремнием и кислородом также будут активными поглотителями или адсорбентами водорода. Среди интерметаллидов наибольшее его количество растворяют ТЬ\13 и 2гА13 [6]. Активные гидрообразующие элементы и их соединения связывают растворенный и выделяющийся водород, уменьшая его концентрацию в расплаве силумина. В результате при его затвердевании увеличивается число центров кристаллизации а-фазы, что приводит к модифицированию структуры сплава. Модификаторы первичного кремния в заэвтектических силуминах (Р, Аб, Бе, Ве) являются слабыми гидрообразующими эле-
ментами [9]. Они мало влияют на содержание растворенного водорода в расплаве, а значит, почти не оказывают воздействия на процесс модифицирования a-фазы и эвтектики. Исключение составляет сера, которая при взаимодействии с молекулярным водородом образует сероводород. Среди гидридов это термодинамически достаточно прочное и термически стабильное соединение [9]. Сульфиды также способны активно адсорбировать и растворять водород. Поэтому сера является модификатором как первичных кристаллов кремния, так и алюминиево-кремниевой эвтектики [11].
Таким образом, следует полагать, что механизм модифицирования a-фазы доэвтектического и эвтектического силуминов во многом связан с процессами рафинирования расплавов от растворенного и молекулярного водорода.
Литература
1. Альтман М.Б., Стромская Н.П. Повышение свойств стандартных литейных алюминиевых сплавов. М.: Металлургия, 1984.
2. Строганов Г.Б. Высокопрочные литейные алюминиевые сплавы. М.: Металлургия, 1985.
3. Немененок Б.М. Разработка теоретических основ и технологии комплексного модифицирования промышленных силуминов: Дис. ... д-р техн. наук. Мн., 1999.
4. Справочник химика. Т.1. Л.: Химия, 1971.
5. Самсонов Г.В., Винницкий И.М. Тугоплавкие соединения (справ.). М.: Металлургия, 1976.
6. Добаткин В.И., Габидуллин P.M., Кола-чев Б.А., Макаров Г.С. Газы и окислы в алюминиевых деформируемых сплавах. М.: Металлургия, 1976.
7. Килин А.Б. Влияние электрического тока на дегазацию и модифицирование алюминиевых сплавов // Литейное производство. 2002. №8. С. 21—22.
8. Гудченко А.П., Кузьмичев Л.В. Дефекты газовыделения в слитках полунепрерывного литья алюминия // Тр. МАТИ. Газы в легких металлах. Вып. 71. М.: Металлургия, 1970. С. 67-74.
9. Кубашевский О., Олкокк К.Б. Металлургическая термохимия. М.: Металлургия, 1982.
10. Кудюмов A.B., Пикунов М.В., Чурсин В.М. Литейное производство цветных и редких металлов. М.: Металлургия, 1982.
11. Фоченков Б.А., Рябов В.И. Заэвтектические силумины для поршней ДВС // Автомобильная промышленность. 2002. №10. С. 29-31.
