CC BY
91
УДК 669.71
О. А. М1ТЯСВ, О. Л. СКУЙБ1ДА (ЗНТУ, Запоржжя)
П1ДВИЩЕННЯ ЯКОСТ1 АЛЮМ1Н1СВИХ СПЛАВ1В МЕТОДАМИ РАФ1НУВАННЯ ТА МОДИФ1КУВАННЯ
Об'ектом дослвджень виступав рафшований та модифжований вторинний алюмшевий сплав АК9М2. Експериментальним шляхом було встановлено можливють тдвищення якосп вторинних сплав1в на основ1 алюттю до р1вня первинних.
Объектом исследований являлся рафинированный и модифицированный вторичный алюминиевый сплав АК9М2. Экспериментально установлена возможность повышения качества вторичных сплавов на основе алюминия до уровня первичных.
An object under research was the refined and modified secondary aluminum alloy АК9М2. An opportunity to improve the quality of secondary aluminum-based alloys up to the level of primary aluminum alloys has been determined experimentally.
Постановка проблеми
Останш десятилотя характеризуются не-впинним зростанням споживання алюмшевих craaBiB i замши сталевих, чавунних та шших B^o6iB на aлюмiнieвi в рiзних галузях промис-ловоcтi та побутi. Сьогодш виробництво aлюмiнieвих cплaвiв в Украш перевищуе 200 тис. т/piK, при цьому частка вторинних cплaвiв сягае 45 % вiд загального обсягу виробництва. Переробка вторинно! aлюмiнieвоi сировини приводить до значного скорочення енергетич-них витрат та зменшення обсяпв використання непоновлюваних джерел енергii порiвняно з виробництвом первинних cплaвiв, а також до-зволяе зменшити техногенне навантаження на довкiлля.
Аналiз останшх дослiджень та публiкацiй
Головним недолгом вторинних cплaвiв на оcновi алюмшю е нижча за первиннi яюсть. Вториннi aлюмiнiевi сплави характеризуються широким штервалом вмicту основних компонент та металевих домiшок (зокрема, зaлiзa), пiдвищеною гaзонacиченicтю, крупнозернисп-стю та високою неоднорiднicтю структури, що негативно позначаеться на характеристиках мщност та плacтичноcтi вiдливок. Анaлiз лгге-ратурних даних cвiдчить, що найбшьш розпо-всюдженими методами покращення якост cплaвiв, виготовлених iз вторинно! алюмшево! сировини, е рaфiнувaння та модифшування. Цi методи нaдiйно зaкрiпилиcя в технолопчних процесах, проте пiдвищення рiвня вимог до якоcтi вiдливок та еколопчно! безпеки потре-буе !х удосконалення. До того ж, в лторатур-
них джерелах у недостатньому обсязi надана iнформацiя щодо рацюнальносп вибору тих чи iнших компонент рафiнувальних сумiшей та елементiв-модифiкаторiв, ix впливу на структуру та властивостi вторинних алюмiнieвиx спла-BiB. Необxiдно звернути увагу, що при викорис-таннi вторинно' сировини лише однократне об-роблення (рафiнування) не дозволяе досягти якостi сплавiв на рiвнi первинних [1]. Тому доцшьно застосовувати двоступеневе оброб-лення - рафiнування на стади виробництва чу-шок i модифiкування на стади виробництва вiдливок.
Метою роботи е розроблення високоефек-тивного i малотоксичного рафшувально-моди-фiкувального комплексу для тдвищення рiвня меxанiчниx властивостей вторинних сплавiв на основi алюмiнiю.
Викладення основного матерiалу
Рафiнування вторинних алюмiнiевиx сплавiв об'еднуе процеси дегазацп й очищення розпла-ву вiд твердих, переважно неметалевих, вкрап-лень. Для цього зазвичай використовуються унiверсальнi флюси. Ефектившсть ушверсаль-них та покривних флюшв пiдвищуеться зi зб> льшенням площi контакту мiж флюсом i роз-плавом, а також зi збшьшенням ступеня змочу-ваностi вкраплень флюсом [2]. Присутнють на поверxнi розплаву покривного флюсу забезпе-чуе перехщ твердих частинок у шлак i запобiгае 'х поверненню в розплав турбулентними потоками рщкого металу. Традицiйно до складу унiверсальниx флюшв входять KCl, NaCl, NasAlFe, NaF [3].
© Мiтяев О. А., Скуйбiда О. Л., 2009
Значне шдвищення мехашчних та експлуа-тацшних властивостей досягаеться при введен-ш в розплав елементiв-модифiкаторiв. Ефект модифшування обумовлюеться характером вза-емодп компонента сплаву i елемента-модифiкаторiв, що визначаеться властивостями присадок та основи сплаву в рщкому станi. Модифшатори ливарних сплавiв подiляються на двi принципово рiзнi групи. Модифiкатори
I-го роду формують елементи та сполуки, що вщшрають роль зародкiв кристатзацп при охо-лодженнi (Ti, Zr, B, Sb). До модифiкаторiв
II-го роду належать поверхнево-активш речо-вини, яю адсорбуються межами зерен i криста-лiв та гальмують процес росту (Na, K, Ba, Sr, Cs) [4]. Новi напрямки в модифшуванш алюм> нiевих сплавiв пов'язаш з використанням ульт-радисперсних порошюв (B4C, TiN, Si3N, SiC), що полегшуе технологiчний процес, е еколопч-но безпечним, приводить до бшьш рiвномiрно-го розподiлу введених частинок за перетином вщливки [5]. Для забезпечення високо! якостi вiдливок i пiдвищення тривалостi модифшува-льного ефекту, до складу модифшувально! су-мiшi для обробки вторинних алюмiнiевих спла-вiв мають входити елементи-модифiкатори як першого, так i другого роду.
У зв'язку з вищезазначеним, до складу ра-фiнувально-модифiкувального флюсу доцшь-ним е включення таких сполук, як S, NaQ, Na2COз, SrCOз, KBF4, AlFз, Тi, SiC. З метою шдвищення якосп, механiчних та експлуата-цiйних властивостей вторинних алюмшевих сплавiв, розроблено модифiкатор, до складу якого увшшли Na2CO3, SrCO3, SiC, C, Ti, S.
Сiрка забезпечуе сильний раф^вальний вплив на розплав внаслщок утворення значно! кiлькостi парiв сiрки, що iнтенсивно барботу-ють розплав та ефективно видаляють неметале-вi вкраплення, розчинений водень за адсорб-цiйним i флотацiйним механiзмами. Також ирка е поверхнево-активним елементом, який забезпечуе змiну типу хiмiчного зв'язку залiзо-вмiсних фаз iз ковалентного на металевий ненаправлений, що врешт>решт приводить до утворення залiзовмiсних фаз компактно! фор-ми.
Наявшсть Na2CO3 та SrCO3 викликае змен-шення швидкостi окислення шрки та подрiб-нення пухирiв пароподiбно! сiрки. Карбонати натрiю та стронщю дисоцiюють з утворенням вуглекислого газу та оксидiв, якi в подальшому вiдновлюються розплавом. При проходженнi пухирiв вуглекислого газу через розплав вщбу-
ваеться барботаж розплаву та додаткове раф> нування сплавiв вiд неметалевих вкраплень та розчинених газiв. Вплив карбоната Na2CO3 та SrCO3 е аналопчним до ди чистих металiв. На-трiй зменшуе поверхневу енерпю на меж фаз, ускладнюе рют кристалiв кремнiю, знижуе тер-мiчну стiйкiсть мiкрогетерогенного стану розплаву. Ця обставина збiльшуе переохоло-дження на фронт кристашзаци i, вiдповiдно, шдвищуе дисперснiсть евтектики. Спiльне мо-дифшування алюмiнiевих сплавiв натрiем та стронщем забезпечуе усунення «шкубацшного перюду», властивого для модифшування стро-нцiем, а порiвняно з модифiкуванням натрiем, суттево збiльшуе тривалiсть модифiкувального ефекту.
Використання ультрадисперсного карбщу кремнiю як додаткових центрiв кристатзацп пiдвищуе показники мщносп та пластичностi, що пов'язано з рiвномiрним розподiлом частинок SiC за перетином вiдливки внаслiдок ди пухирiв газоподiбноl сiрки та вуглекислого газу. Основна маса частинок SiC виштовхуеться фронтом кристашзаци в рщку фазу, накопичу-еться перед фронтом кристашзаци та забезпечуе переохолодження, збшьшення кiлькостi i зменшення розмiрiв, а також змiну форми евте-ктичних складових алюмiнiевого сплаву.
Присутшсть Ti викликае утворення диспер-сних частинок Al3Ti, що рiвномiрно розподшя-ються в об'емi розплаву, вщшрають роль додаткових центрiв кристатзаци, значно подрiб-нюють зерна алюмшевого твердого розчину та видшень вторинних фаз, а також збшьшення рiвномiрностi розподiлу останнiх за об'емом.
Сшь KBF4 взаемодiе з алюмшем за екзоте-рмiчною реакцiею, яка проходить з вщновлен-ням бору та замщенням його алюмiнiем у шлаку. Продуктами реакци е борид та алюмшщ титану. Активне пов'язування титану в борид збшьшуе його засвоюванiсть та пiдвищуе ефек-тивнiсть процесу зародкоутворення. Частинки TiB2 виступають пiдкладинками для зароджен-ня зерен a-Al при кристалiзацil. При введенш бору змiнюеться морфологiя кристалiв а-фази: дендритнi гiлки першого порядку мають закш-чення округло! форми, гшки другого та третьо-го порядюв практично вiдсутнi. Спiльне вве-дення титану та тетрафторборату калда забезпечуе максимальне засвоення бору.
Наявшсть срiблястого графiту в присутносп титану забезпечуе отримання додаткових цен-трiв зародкоутворення у виглядi сполуки ^С, що пiдвищуе ступiнь подрiбнення структурних
складових та сприяе збiльшенню рiвня мехаш-чних властивостей алюмiнieвих сплавiв.
Експериментальну перевiрку дп флюсу та модифшатора проводили в процесi плавлення сплаву АК9М2 в печi опору. Необхщна кшь-кiсть флюсу становить 1,0...2,0 % вщ маси сплаву. До розплаву флюс вводили за темпера-тури 730±10 °С. З метою бшьш технологiчного введення модифiкатора до розплаву, методом пресування були виготовлеш таблетованi бри-кети певно! ваги, що дозволило швидко т-дiбрати необхiдну кiлькiсть модифiкатора з розрахунку 0,05 % вщ маси розплаву. Така тех-нологiчна схема застосування показала високу ефектившсть при подальшому використаннi. В рiдкому металi, який знаходився в шамотному тигел^ при температурi 730±10 °С за допомо-гою пристосування, вiдомого як «дзвоник», вводили присадки модифiкатора та витримува-ли метал у тигелi при температурi 730±10 °С протягом 0; 30; 60; 90; 120 хвилин. Пюля про-ведення модифiкування, зпдно вимог ДСТУ 2839-94 (ГОСТ 1583-93), вщливали зраз-ки для випробувань механiчних властивостей та аналiзу мшроструктури (табл. 1).
Таблиця 1
Результати експериментальних дослiджень дп флюсу та модифшатора на MexaHÏ4HÏ властивостi сплаву АК9М2
Час тсля оброблен- Властивосп вторинного сплаву АК9М2 (литий стан)
ня розпла-ву, хв. СТВ, МПа 5, % КС, кДж/м2 d, мкм
0 167* 188 4,3* 1,6 67* 72 8.12* 6.10
30 165* 185 4,3* 1,6 65* 71 8.12* 6.10
60 162* 180 4,2* 1,4 62* 68 10.14* 8.12
90 159* 173 4,2* 1,4 61* 65 10.14* 8.12
120 155* 165 4,0* 1,2 59* 63 10.16* 8.14
Примпка: d - ввдстань мiж осями другого порядку де-ндритш а-твердого розчину кремшю в алюмши; - обро-блення експериментальним флюсом без застосування мо-дифжатора.
Висновки та перспективи подальших дослщжень
Проведет дослщження показали, що ком-плексне оброблення сплаву АК9М2 експериме-нтальними флюсом та модифшатором приводить до зменшення вщсташ м1ж осями другого порядку дендрит1в а-твердого розчину кремшю в алюмши, формування др1бнодисперсних та р1вном1рно розподшених структурних складових, змши форми штерметаладв на основ1 зал> за з пластинчасто1' на глобулярну або у вигляд1 китайських 1ерогл1ф1в, тдвищення якост та р1вня мехашчних властивостей. Двоступеневе оброблення вторинного сплаву АК9М2 пор1в-няно з одним рафшуванням забезпечуе трива-лший модифшувальний ефект та бшьш др1б-нодисперсну структуру, а в зв'язку з1 значною спадковютю алюмшевих сплав1в дозволяе отримувати та збер1гати вищий р1вень мехашч-них властивостей сплаву при наступних техно-лопчних переробленнях. Експеримент засвщ-чив значш потенцшш можливосп розробленого складу рафшувально-модифшувального комплексу для тдвищення конструктивно!' мщнос-т вторинних сплав1в на основ! алюмшю, що визначае напрямок i перспективи подальших дослщжень.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Немененок, Б. М. Теория и практика комплексного модифицирования силуминов [Текст] : монография / Б. М. Немененок - Мн.: Техно-принт, 1999. - 272 с.
2. Mityayev, A. Improvement of quality of secondary aluminium alloys in conditions of mass production [Text] / A. Mityayev, S. Belikov // Polish Acad. Sci.: Archives of metallurgy and materials. -2007. - № 3. - P. 521-524.
3. Виробництво алюмшевих сплавiв з рудно1 та вторинно1 сировини [Текст] : навч. поабник / за ред. Т. М. Нестеренко. - К.: Вища шк., 2007. -207 с.
4. Лубенский, М. З. Исследование влияния редких элементов на структуру и свойства вторичных сплавов алюминия [Текст] : автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Мн., 1987. - 21 с.
5. Калинина, Н. Е. Модифицирование литейных алюминиевых сплавов порошковыми компози-цияими [Текст] / Н. Е. Калинина, В. П. Белоярцева, О. А. Кавац // Вестник двигателестрое-ния. - 2006. - № 2. - С. 193-195.
Надшшла до редколегп 21.05.2009.
Прийнята до друку 26.05.2009.
