CC BY
57
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 5 (53)
МАТЕР1АЛОЗНАВСТВО
УДК 669.715:621.785.9
I. П. ВОЛЧОК1*, О. Л. СКУЙБ1ДА2, О. В. ЛЮТОВА3, Н. В. ШИРОКОБОКОВА4
1 Каф. «Технолопя MeTanÍB», Запорiзький нацюнальний технiчний ун1верситет, вул. Жуковського, 64, Запорiжжя, Украша, 69063, тел. +38 (061) 764 13 51, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0003-1580-0556 2Каф. «Охорона прaцi i навколишнього середовища», Зaпорiзький нaцiонaльний технiчний унiверситет, вул. Жуковського, 64, Зат^жжя, Укра1на, 69063, тел. +38 (050) 972 40 73, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0003-1488-8568
3Каф. «Нарисна геометрiя, шженерна та комп'ютерна графжа», Зaпорiзький нацюнальний техшчний унiверситет, вул. Жуковського, 64, Зат^жжя, Укра1на, 69063, тел. +38 (097) 141 85 66, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0002-8818-2608
4Каф. «Технологш металш», Зaпорiзький нaцiонaльний техшчний ушверситет, вул. Жуковського, 64, Заж^жжя, Украша, 69063, тел. +38 (093) 817 13 44, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0002-7009-6218
П1ДВИЩЕННЯ ЯКОСТ1 ВТОРИННИХ СИЛУМ1Н1В ШЛЯХОМ ВИКОРИСТАННЯ РАФ1НУВАЛЬНО-МОДИФ1КУВАЛЬНО1, ТЕРМ1ЧНО1 ТА ЛАЗЕРНО1 ОБРОБОК
Мета. Вторинним силумшам притаманна, як правило, нижча за гх первиннi аналоги яшсть. При виготов-леннi сплaвiв не враховуеться нaявнiсть велико! кшькосп iнтерметaлiдiв, передусiм на основi зaлiзa, в !х структурi. Для досягнення оптимального рiвня властивостей необхiдно шукати шляхи адаптацп раф^валь-но-модиф^вально1, термiчноl та лазерно! обробок до особливостей структури вторинних Al-Si сплaвiв. Методика. Дослвдження здiйснювaли з використанням стандартних методик метaлогрaфiчного aнaлiзу, визначення ливарних, мехатчних та експлуaтaцiйних властивостей сплаыв за рототабельними планами багатофакторних експерименпв. Результата. Встановлено, що рaфiнувaльно-модифiкувaльнa обробка е обов'язковою оперaцieю при виготовлент вторинних силумiнiв, оскiльки дозволяе ефективно впливати на видшення зaлiзовмiсних фаз, змшюючи 1х морфологш, розмiр та розподш, а також шдвищувати ефектив-нiсть подальшо! обробки в твердому сташ. Виявлено, що стaндaртнi режими термiчноl обробки не е оптима-льними для вторинних силумiнiв. Лазерна обробка показала високу ефективнiсть в шдвищент мiцностi, зносостiйкостi, корозшно! та кавггацшно! стiйкостi вторинних Al-Si сплаыв, а пвдвищений вмiст зaлiзa сприяв додатковому твердорозчинному змiцненню. Наукова новизна. Встановлено, що тсля рафшувально-модиф^вально! обробки фаза Al5SiFe, яка кристaлiзуеться у виглядi довгих витягнених пластин, трансфо-рмуеться в фазу Al15(FeMn)3Si2 у скелетоподiбнiй або бaгaтогрaннiй формг Отримано зaлежнiсть м1ж вмю-том зaлiзa у вторинних силумiнaх з часом витримки при термiчнiй обробщ, який забезпечуе оптимум меха-шчних властивостей. Доведено, що нaявнiсть зaлiзовмiсних iнтерметaлiдiв Al5SiFe призводить до зменшен-ня глибини змiцненого шару при лазернш обробцi. Встановлено, що зi збiльшенням концентрацй' зaлiзa швидк1сть корози вторинних силумiнiв в середовищах 3 % NaCl + 0,1 % H2O2 та 10 % HCl тдвищуеться. Практична значимiсть. Зaпропоновaнi техтчш рiшення сприяють пвдвищенню якостi вторинних силумшв до рiвня, який дозволяе використовувати гх як сировину для виготовлення сплaвiв на основi алюмшш.
Ключовi слова: силумiни; модифiкувaння; термiчнa обробка; iмпульснa лазерна обробка; ливарнц меха-нiчнi та експлуaтaцiйнi властивосп
Вступ
Нинi алюмiнieвi сплави, виготовлеш Í3 вто-ринно! сировини, все ширше використовуються в автомобiлебудуваннi, авiацiйнiй промислово-стi, цивiльному та промисловому будiвництвi тощо. Так, за даними [3], обсяг випуску вторин-ного алюмшш в крашах GC сягае 5,2 млн т/р, що знаходиться на приблизно однаковому рiвнi з випуском первинного алюмiнiю (5,1 млн т/р). Використання вторинно! сировини дозволяе по-
збутися проблеми накопичення вiдходiв, осла-бити техногенне навантаження на довкiлля та знизити собiвартiсть випуску продукцп.
Поряд iз безсумнiвними перевагами використання вторинних ресуршв iснуе i суттевий не-долiк - низька якiсть сплавiв, пов'язана iз знач-ною кшьюстю iнтерметалiдних фаз, розчине-них газiв та неметалевих вкраплень в структур^ а також пiдвищеною пористiстю. При цьому основний вклад в попршення фiзико-механiч-них властивостей вторинних Al-Si сплавiв на-
лежить залiзовмiсним фазам Al5SiFe, Al4Si2Fe, Al8Fe2Si та íh., що мають грубокристалiчну бу-дову, несприятливу пластинчасту форму i поле-гшують процес руйнування матерiалу, вщпра-ючи роль концентраторiв напружень [14, 15].
У ходi аналiзу лiтературних джерел було з'ясовано, що найбшьш дieвим способом впли-ву на видiлення затзовмюних фаз в структурi вторинних силумшв е модифiкування. Термiч-на обробка е одшею з основних технолопчних операцiй, застосування яко! забезпечуе отри-мання певних механiчних та експлуатацшних властивостей. Виходячи з того, що вмют штер-металiдних фаз шд час використання вторинно! сировини значно зростае, у нас виникло при-пущення, що стандартнi режими термiчно! об-робки для вторинних Al-Si сплавiв не можна вважати оптимальними, проте цьому питанню в лггературних джерелах уваги не придiляеться. Незважаючи на суттеве пiдвищення властивостей, яке вдаеться досягти модифшувальною та термiчною обробками, недолiком силумiнiв залишаються низькi втомна мiцнiсть, кавга-цшна та корозiйна стiйкiсть. Достатньо ефекти-вним i технологiчним способом виршення ще! проблеми е поверхнева лазерна обробка. Вiдомi сьогоднi роботи з лазерно! обробки стосуються первинних силумшв. Нами зроблено припу-щення, що застосування лазерно! обробки може виявити кращi результати для вторинних спла-вiв за рахунок твердорозчинного змщнення до-мiшковими елементами, передусiм затзом.
Мета
Мета роботи - адаптащя рафшувально-моди-фкувально!, термiчноl та лазерно! обробок до особливостей структури та властивостей Al-Si сплавiв, виготовлених iз вторинно! сировини.
Методика
Дослiдження здшснювали з використанням методiв математичного планування експериме-нту, регресiйного та кореляцшного аналiзiв, а також методiв статистично! обробки експери-ментальних результатiв. Пщ час виконання до-слiджень здшснювали хiмiчний аналiз складу сплавiв, металографiчнi дослiдження, випробу-вання ливарних, мехашчних та експлуатацш-них властивостей за стандартними методиками.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 5 (53)
Результати
Дослщження на кафедр1 технолог!! метал!в ЗНТУ (м. Запор1жжя) сприяли розробц! низки раф1нувально-модиф1кувальних комплекшв вторинних силумшв [6-10], до складу яких в р1з-них комбшащях та концентращях увшшли так! компоненти, як SiC, Ti, C, S, Na2CO3, SrCO3, KBF4, K2TiF6, MnCl2, KCl, NaCl, AlF3. Склад су-мшей тдбирався з метою збшьшення дисперс-ност! та компактносп структурних складових, змши складу та морфологи штерметалщв на основ! зашза, а також зменшення вмюту водню. Провщна роль в нейтратзацп шк!дливого впливу затза при цьому належить присадкам шрки. Так, за даними [5, 13], присутнш в структур! немоди-фшованих силумшв ¿нтерметал!д Al5SiFe мае мо-ноклинну гратку з параметрами a = b = 0,612 нм та с = 4,15 нм i ковалентний тип м1жатомних зв'язюв, що зумовлюе тонкопластинчасту форму видiлень (рис. 1, а). Легування фази шркою при-зводить до металiзацiï мiжатомних зв'язкiв, втрати ]_'х направленостi та змши форми затзо-вмiсних штерметалщв (рис. 1, б).
Рис. 1. Змша морфологи з^зовмюних iнтерметалiдiв в CTpyKTypi сплаву АК9М2 тд впливом модифiкyвання (х 500):
а - фаза Al5SiFe; б - фаза Al15(FeMn)3Si2
Fig. 1. Change of iron-containing intermetallides' morphology in the structure of alloy АК9М2 under the influence of modification (х 500):
a - phase Al5SiFe; b - phase Al15(FeMn)3Si2
Зокрема, збшьшення твердостi, мiцностi та пластичност сплавiв, виготовлених з лому та вiдходiв виробництва, пов'язанi 3i змiною мор-фологiчних параметрiв структури тд впливом модифiкування [1, 7]. Замють фази Al5SiFe несприятливо1 морфологи в структурi вторин-них силумшв ми спостерiгали утворення спо-луки Al15(FeMn)3Si2, що приймала скелетопод> бну або многогранну форму залежно вщ конце-нтраци залiза та режиму термiчноi обробки. Значення параметру форми затзовмюних ш-терметалiдiв зменшувалось при цьому в серед-ньому в 2,5...3,5 разу, що позначалось на осла-бленнi ди концентраторiв напружень, якими е вершини голчастих вкраплень. Пюля обробки модифiкатором сплавiв АК5М2 та АК6М2 вщ-булось шдвищення твердостi НВ на 23.31 %, границ мiцностi пiд час випробування на роз-тяг на 11.12 % та вщносного видовження на 26.67 %.
Дослщження на вторинному силумiнi АК9М2 виявили, що зi збiльшенням стружки в шихт з 1 % до 19 %, а також кшькосп залiза в сплавi з 0,66 мас. % до 2,34 мас. % вщбувалось зни-ження рщинноплинносп на 30.35 %, лшшно! усадки та трiщиностiйкостi на 18.25 %, спо-стерiгався рiст пористост з 0,5 до 2.2,5 балу. Присадки модифшатора у кiлькостi 0,15 % вщ маси сплаву призводили до пiдвищення рщин-ноплинностi в середньому на 10.15 %, лшшно! усадки на 30.35 % та зменшення балу га-зово! пористосп з 2,5 до 0,5. До того ж, тд час застосування рафшувально-модиф^вально! обробки метал зварних з'еднань успадковував властивосп основного литого металу та за тве-рдiстю, мiцнiстю i пластичнiстю навт переве-ршував його [4]. Однорщшсть та диференцiацiя структури зварного шва зберпалася пiсля тер-мiчноl обробки, причому макро- та мшрострук-тура зварного шва були дисперсшшими за ос-новний метал (рис. 2).
На наступному етат дослщжували взаемо-зв'язок вмiсту залiза у складi вторинних силу-мiнiв з часовими параметрами гартування та старшня. В результатi експерименту з'ясовано, що штерметалщи на основi залiза тсля попере-дньо! рафшувально-модифшувально1 обробки здатш змiнювати сво! форму, розмiр та розпо-дiл пiд час термiчного впливу. Однi режими термiчноl обробки виявилися сприятлившими за iншi залежно вщ концентраци залiза, про що
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального унiверситету залiзничного транспорту, 2014, № 5 (53)
свщчили структурнi змши та результати випробування мехашчних властивостей [2, 11].
Встановлено, що при вмют залiза на рiвнi 0,5 мас. % доцiльно використовувати час ви-тримки при гартуванш до 7 год.
При концентраци Бе = 1,2 мас. % виникае потреба в збшьшенш часу витримки при гартуван-ш до 8 год. Що стосуеться старiння, то для си-лумшв iз вмiстом близько 0,5 мас. % Бе викори-стання нижньо! меж стандартного часу витримки (5.10 год вщповщно до ДСТУ 2839-94) не дае оптимального результату. При такш концентраци залiза необхiдно використовувати час витримки при старшш на рiвнi 7 год. На кожш 0,1 мас. % Бе при його вмiстi у вторинних си-лумiнах бiльше за 0,5 мас. % потрiбно додатко-во передбачити 0,5 год витримки. Необхщшсть збiльшення часу витримки при збшьшенш концентрацп залiза в сплавах ми пов'язуемо зi зро-станням кiлькостi iнтерметалiдних фаз, яю га-льмують дифузiйнi процеси при гартуванш та старшш.
Рис. 2. Макро- та мжроструктура (х 100) зварного шва та основного металу сплаву АК9М2 шсля аргоно-дугового плавления
Fig. 2. Macro- and microstructure (х 100) of the welding joint and basic metal of the alloy АК9М2 after argon-arc melting
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального унiверситету з^зничного транспорту, 2014, № 5 (53)
Щц час збiльшення часу витримки при гар-туванш тг поперецньо рафшованого та модиф> кованого вторинного силyмiнy АК8М3 i3 вмю-том Fe = 1,2 мас % з 6 до 8 год та часу витримки при старшш тст з 7 до 11 год вщбулись спри-ятливi змши в стрyктyрi: зменшились розмiри та збiльшилась циференцiацiя структурних складових, що показано на рис. 3. При цьому спостерiгали пiцвищення значень границ мщ-ностi та плинност в середньому на 7... 8 %, гранищ витривалосп - на 12 %, малоциклово1 витривалостi (е = 0,3 %) - на 30 %, твердосн НВ на - 9 % та вщносного видовження на 10 %.
а - a
б - b
вщповщно, викликала зменшення глибини зм> цненого шару. Таким чином, ефективнш лазер-нiй обробцi сприяло попередне модифшування сплавiв.
Таблиця 1
Мiкротвердiсть та гранищ мщносп сплаву
АК8М3 шсля однократно!" лазерноТ обробки
Table 1
Microhardness and strength limits of AK8M3 alloy after single laser treatment
Вмгст Fe, мас. % Показник Змщнений шар (100 мкм вщ поверхш) Матриця (Al)
0,40 Иц, МПа св, МПа 1 605 515 975 172
0,92 Иц, МПа св, МПа 1 625 523 994 180
1,45 Иц, МПа св, МПа 1 620 524 1 000 174
Рис. 3. Вплив часових napaMeTpiB TepMi4HOÏ обробки на структуру вторинного силумшу АК8М3 (х 200):
а - тг = 6 год, тст = 7 год; б - тг = 8 год, тст = 11 год
Fig. 3. Influence of heat treatment time parameters on the structure of secondary silumin АК8М3 (х 200):
a - Tq = 6 hrs, T„g = 7 hrs; b - Tq = 8 hrs, Tag = 11 hrs
В результат лазерноï обробки вщбувалося суттеве подр1бнення структури, збшьшення де-фекнв кристалiчноï будови та утворення мета-стабшьних фаз. Поверхнева лазерна обробка вторинного сплаву АК8М3 привела до тдви-щення поверхневоï мiкротвердостi в середньому в 1,7 разу та мщносн в 3 рази порiвняно з алюмшевим твердим розчином (табл. 1). Проте наявшсть залiзовмiсних iнтерметалiдiв типу Al5SiFe внаслiдок ï^ великих розмiрiв та несприятливоï морфологiï збiльшувала тепло-вий опiр мiж зоною оплавлення i матрицею та,
3i зростанням концентрацii залiза вщ 0,4 мас. % до 1,45 мас. % спостер^али збшьшення гранищ витривалосп силушну АК8М3 в середньому на 19 %, зменшення втрати маси зразюв в умовах зношування об нежорстко за^плений абразив на 25 %, при сухому терт «метал по металу» - на 41 % та при кавгтацшному зношуваннi - на 60 %.
За даними корозшних випробувань у водному розчиш 3 % NaCl + 0,1 % H2O (t = 28 °С, т = 720 год) збшьшення концентраци залiза з 0,4 мас. % до 1,45 мас. % призвело до зростання кшькосн пiтингiв з 35 шт/см2 до 103 шт/см2. Структурнi складовi сплаву iз вмiстом залiза на нижньому рiвнi були дисперсними та невеликими за розмiрами, тому i площа розтравлю-вання навколо них, i глибина пiтинговоi корози були незначними. Пiд час збшьшення концентраци залiза, а, отже, i кiлькостi та розмiрiв ш-терметалiдiв на його основi, зростали протяж-нiсть меж «матриця-вкраплення», площа руй-нування матрицi та швидюсть проникнення ш-тингу вглиб мат^алу. Лазерна обробка дозволила шдвищити опiр вторинного силумiну АК8М3 штингоутворенню в 5... 8 разiв. Коро-зшна стiйкiсть сплаву в 10 %-му розчиш HCl шсля обробки лазером зросла в середньому на два порядки, а бал корозiйноi стшкосп зменши-вся з 10 до 5.. .7 вщповщно до ГОСТ 13819-68.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 5 (53)
Наукова новизна та практична значимкть
Встановлено, що модифшування вторинних силумшв [6-10] дозволяе трансформувати фазу Al5SiFe, яка кристал1зуеться у вигщщ довгих витягнених пластин, у фазу Al15(FeMn)3Si2 i3 бшьш сприятливою (скелетоподiбною або многогранною) формою. Застосування розроблених i запатентованих рафшувально-модифшуваль-них комплекшв дозволило зменшити бал газо-во! пористостi, суттево збiльшити рщинноп-линнiсть, лiнiйну усадку, твердiсть, мщшсть та пластичнiсть силумiнiв, виготовлених iз вто-ринно! сировини.
Виявлено залежнють мiж концентрацiею за-лiза в Al-Si сплавах з часом витримки при тер-мiчнiй обробцi, який забезпечуе оптимум меха-нiчних властивостей. Встановлено, що для си-лумшв iз вмiстом бiльше за 0,5 мас. % Fe не-обхщно збiльшувати передбачений стандартом ДСТУ 2839-94 час витримки при гартуванш та старшш, що пов'язано з шдвищено! кiлькiстю iнтерметалiдiв на основi зашза в структурi спла-вiв, яю гальмують перебiг дифузiйних процесiв.
Доведено, що несприятлива форма та розм> ри видiлень фази Al5SiFe збшьшуе тепловий опiр мiж матрицею та зоною оплавлення, що позначаеться на зменшенш глибини змiцненого шару тд час лазерно! обробки. Це виявило не-обхiднiсть обов'язкового застосування попере-дньо! операци модифiкування для силумшв з пiдвищеним вмiстом залiза.
Доведено, що лазерна обробка викликае шдвищення зносостiйкостi вторинних силумь нiв в умовах абразивного зношування та при сухому терт «метал по металу» внаслiдок утворення у поверхневому шарi високодиспер-сно! структури. При цьому концентрацiя залiза в iнтервалi 0,40... 1,45 мас. % на щ показники практично не впливае, що розширюе перспек-тиви використання вторинних силумшв з тд-вищеним вмiстом залiза.
Встановлено, що збшьшення вмiсту залiза призводить до зростання швидкостi корозп вторинних силумшв у розчинах 3 % NaCl + 0,1 % H2O2 та 10 % HCl. Пюля iмпульсно! лазерно! обробки швидюсть корози зразкiв у середовищi 3 % NaCl + 0,1 % H2O2 була в 5.7 разiв, а у се-редовищi 10 % HCl на 2.3 порядки нижчою за швидкiсть корози вихвдних сплавiв.
Запропановаш технiчнi рiшення сприяють пiдвищенню якост вторинних силумiнiв до рi-вня, який дозволяе використовувати !х як сиро-вину для виготовлення сплавiв на основi алю-мiнiю.
Висновки
1. Виконаш дослiдження виявили, що якiснi Al-Si сплави можна отримати iз вторинно! сировини при помiтному вмсп залiза (до 1,45 мас. %) за рахунок застосування раф^вально-модифь кувально! обробки.
2. Оскшьки залiзовмiснi iнтерметалiди гальмують дифузшш процеси пiд час термiчно! обробки, то при збшьшенш !х кiлькостi в струк-турi сплавiв потрiбно збiльшувати час витримки при гартуванш та особливо при старшш.
3. Доцшьно збшьшувати час витримки при старшш замють використання додаткового вщ-палу тсля лазерно! обробки.
4. В цшому ефективнiсть як термiчно!' обробки, так i поверхневого лазерного змщнення залежить багато в чому вщ попереднього мо-дифiкування, яке дозволяе вплинути на вид> лення найбшьш шкiдливого iнтерметалiду на основi затза - Al5SiFe, i, вiдповiдно, на можли-вiсть залiзовмiсних фаз трансформуватись тд впливом iнших видiв обробки.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Волчок, И. П. Применение вторичных алюминиевых сплавов в транспортном машиностроении / И. П. Волчок, О. В. Лютова // Вюн. Дш-пропетр. нац. ун-ту зал1зн. трансп. 1м. акад. В. Лазаряна. - Д., 2007. - Вип. 14. - С. 225-227.
2. Волчок, И. П. Термическая обработка железосодержащих силуминов / И. П. Волчок, Е. Л. Скуй-беда // Литье и металлургия. - 2012. - № 3 (67).
- С. 94-97.
3. Ищенко, А. А. Об использовании отходов алюминиевой тары / А. А. Ищенко, С. И. Андреев, Д. С. Андреев // Металлургия машиностроения.
- 2012. - № 5. - С. 18-19.
4. Лютова, О. В. Свариваемость вторичных силуминов / О. В. Лютова, И. П. Волчок // Стр-во, материаловедение, машиностроение : сб. на-учн. тр. - Вып. 58. - Д. : ГВУЗ «ПГАСиА», 2011. - С. 440-445.
5. Немененок, Б. М. Теория и практика комплексного модифицирования силуминов : мо-ногр. / Б. М. Немененок. - Минск : Техно-принт, 1999. - 272 с.
6. Пат. 42653 Украша, МПК (2009) С22С 1/100. Модифжатор алюмшевих сплав1в / Волчок I. П., Мияев О. А., Островська А. £., Скуйбща О. Л. (Украша) ; заявник та патентовласник Запор1з. нацюн. техн. ун-т. - № и200902454 ; заявл. 19.03.2009 ; опубл. 10.07.2009, Бюл. № 13. - 4 с.
7. Пат. 32929 Украша, МПК (2006) С22С1/00. Модифжатор для алюмшевих сплав1в / Волчок I. П., Мияев О. А., Лютова О. В., Широкобоко-ва Н. В., Повзло В. М. (Украша) ; заявник та патентовласник Запор1з. нацюн. техн. ун-т. -№ 200800105 ; заявл. 02.01.2008 ; опубл. 10.06.2008, Бюл. № 11. - 4 с.
8. Пат. 69720 Украша, МПК С22 С1/06(2006.1). Рафшувально-модиф1кувальний комплекс для алюмшевих сплаыв / Широкобокова Н. В., Мггяев О. А., Волчок I. П., Кюрчев С. В., Колодш О. С. (Украша) ; заявник та патентовласник Запор1з. нацюн. техн. ун-т. - № и201112705 ; заявл. 31.10.2011 ; опубл. 10.05.2012, Бюл. № 9. - 4 с.
9. Пат. 31862 Украша, МПК (2006) С22В21/00 С22В9/00. Флюс для оброблення алюмшевих сплашв / Волчок I. П., Мггяев О.А., Лютова О. В., Широкобокова Н. В., Повзло В. М. (Украша) ; заявник та патентовласник Запор1з. нацюн. техн. ун-т. - № 200713840 ; заявл. 10.12.2007; опубл. 25.04.2008, Бюл. № 8. - 4 с.
10. Пат. 44463 Украша, МПК (2009) С22В 1/00, С22В 9/00. Флюс для оброблення алюмшевих сплаыв / Волчок I. П., Мияев О. А., Островська А. £., Скуйбща О. Л. (Украша) ; заявник та патентовласник Запор1з. нацюн. техн. ун-т. -
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету з^зничного транспорту, 2014, № 5 (53)
№ 200902450 ; заявл. 19.03.2009; опубл. 12.10.2009, Бюл. № 19. - 4 с.
11. Скуйбеда, Е. Л. Особенности изменения морфологии железистых интерметаллидов в структуре вторичных силуминов под воздействием термической обработки / Е. Л. Скуйбеда // Литье и металлургия. - 2013. - № 4 (73). - С. 42-44.
12. Скуйбвда, О. Л. Пдвищення мехатчних власти-востей вторинного силумшу АК5М2 / О. Л. Скуй-бвда, I. П. Волчок // Вюн. Дншропетр. нац. ун-ту залзн. трансп. 1м. акад. В. Лазаряна. - Д., 2010. -Вип. 34. - С. 215-218.
13. Cao Xinjin. Morphology of P-Al5FeSi Phase in Al-Si Cast Alloys [Електронний ресурс] / Xinjin Cao, John Campbell // Materials Transactions. -2006. - Vol. 47, № 5 (2006). - P. 1303-1312. -Режим доступу: http://www.jim.or.jp/journal/e/ pdf3/47/05/1303.pdf. - Назва з екрана. -Перев1рено : 25.09.2014. doi: 10.2320/mater-trans.47.1303.
14. Gorny, Anton. Characterization of Major Intermetal-lic Phases in solidified Al-xSi-yFe-zSr (x = 2 to 12,5 wt. %, y = 0 to 0,5 wt. % and z = 0 and 0,02 wt. %) alloys : (Open Access Dissertations and Theses. Paper 7445) [Електронний ресурс]. - Режим доступу: http://digitalcommons.mcmaster.ca/opendisser-tations/7445/. - Назва з екрана. - Перев1рено : 25.09.2014.
15. Mityayev, A. The role of intermetallic phases in fracture of aluminium alloys / A. Mityayev, S. Be-likov, K. Loza // Problems of modern techniques in engineering and education. - Cracow, 2009. -P. 59-66.
И. П. ВОЛЧОК1*, Е. Л. СКУЙБЕДА2, О. В. ЛЮТОВА3, Н. В. ШИРОКОБОКОВА4
1 Каф. «Технология металлов», Запорожский национальный технический университет, ул. Жуковского, 64, Запорожье, Украина, 69063, тел. +38 (061) 764 13 51, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0003-1580-0556 2Каф. «Охрана труда и окружающей среды», Запорожский национальный технический университет, ул. Жуковского, 64, Запорожье, Украина, 69063, тел. +38 (050) 972 40 73, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0003-1488-8568 3Каф. «Начертательная геометрия, инженерная и компьютерная графика», Запорожский национальный технический университет, ул. Жуковского, 64, Запорожье, Украина, 69063, тел. +38 (097) 141 85 66, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0002-8818-2608
4Каф. «Технология металлов», Запорожский национальный технический университет, ул. Жуковского, 64, Запорожье, Украина, 69063, тел. +38 (093) 817 13 44, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0002-7009-6218
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ВТОРИЧНЫХ СИЛУМИНОВ ПУТЁМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАФИНИРУЮЩЕ-МОДИФИЦИРУЮЩЕЙ, ТЕРМИЧЕСКОЙ И ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТОК
Цель. Вторичным силуминам свойственно, как правило, более низкое, по сравнению с их первичными аналогами, качество. При изготовлении сплавов не учитывается наличие большого количества интерметаллидов, в первую очередь, на основе железа, в их структуре. Для достижения оптимального уровня свойств необходимо искать пути адаптации рафинирующе-модифицирующей, термической и лазерной обработок к особенностям структуры вторичных Al-Si сплавов. Методика. Исследования проводили с использованием стандартных мето-
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету з&тзничного транспорту, 2014, № 5 (53)
дик металлографического анализа, определения литейных, механических и эксплуатационных свойств сплавов по рототабельным планам многофакторных экспериментов. Результаты. Установлено, что рафинирующе-модифицирующая обработка является обязательной операцией при производстве вторичных силуминов, поскольку позволяет эффективно влиять на выделения железосодержащих фаз, изменяя их морфологию, размер и распределение, а также повышать эффективность дальнейшей обработки в твёрдом состоянии. Обнаружено, что стандартные режимы термической обработки не являются оптимальными для вторичных силуминов. Лазерная обработка показала высокую эффективность в повышении прочности, износостойкости, коррозионной и ка-витационной стойкости вторичных Al-Si сплавов, а повышенное содержание железа способствовало дополнительному твёрдорастворному упрочнению. Научная новизна. Установлено, что после рафинирующе-моди-фицирующей обработки фаза Al5SiFe, кристаллизующаяся в виде длинных вытянутых пластин, трансформируется в фазу Al15(FeMn)3Si2 в скелетообразной или многогранной форме. Получена зависимость между содержанием железа во вторичных силуминах и временем выдержки при термической обработке, которое обеспечивает оптимум механических свойств. Доказано, что наличие железосодержащих интерметаллидов Al5SiFe приводит к уменьшению глубины упрочнённого слоя при лазерной обработке. Установлено, что с повышением концентрации железа скорость коррозии вторичных силуминов в средах 3 % NaCl + 0,1 % H2O2 та 10 % HCl повышается. Практическая значимость. Предложенные технические решения способствуют повышению качества вторичных силуминов до уровня, который позволяет использовать их как сырье для изготовления сплавов на основе алюминия.
Ключевые слова: силумины; модифицирование; термическая обработка; импульсная лазерная обработка; литейные, механические и эксплуатационные свойства
I. P. VOLCHOK1*, O. L. SKUIBIDA2, O. V. LIUTOVA3, N. V. SHYROKOBOKOVA4
1 Dep. «Metal Technology», Zaporizhzhia National Technical University, Zhukovskyi St., 64, Zaporizhzhia, Ukraine, 69063, tel. +38 (061) 764 13 91, e-mail [email protected], ORCID 0000-0003-1580-0556
2Dep. «Labour and Environment Protection», Zaporizhzhia National Technical University, Zhukovskyi St., 64, Zaporizhzhia, Ukraine, 69063, tel. +38 (050) 972 40 73, e-mail [email protected], ORCID 0000-0003-1488-8568 3Dep. «Descriptive Geometry, Engineering and Computer Graphics», Zaporizhzhia National Technical University, Zhukovskyi St., 64, Zaporizhzhia, Ukraine, 69063, tel. +38 (097) 141 85 66, e-mail [email protected], ORCID 0000-0002-8818-2608
4Dep. «Metal Technology», Zaporizhzhia National Technical University, Zhukovskyi St., 64, Zaporizhzhia, Ukraine, 69063, tel. +38 (093) 817 13 44, e-mail [email protected], ORCID 0000-0002-7009-6218
QUALITY IMPROVEMENT OF SECONDARY SILUMINS BY USING REFINING-MODIFYING, HEAT AND LASER TREATMENTS
Purpose. As a rule secondary silumins are characterized by lower quality than their primary analogues. During manufacture of alloys a large quantity of intermetallides, first of all on the basis of iron, in their structure is ignored. To achieve the optimum level of properties it is necessary to search for ways to adapt refining-modifying, heat and laser treatments to peculiarities of the structure of secondary Al-Si alloys. Methodology. The research was carried out by using standard methods of metallographic analysis, determination of foundry, mechanical and service properties of alloys according to rotatable plans of multifactor experiments. Findings. It was established, that refining-modifying treatment is a required procedure during manufacture of secondary silumins as it permits to effectively influence the iron-containing phases' segregations by changing their morphology, size and distribution and to increase the effectiveness of further treatment in solid state. It was found that standard modes of heat treatment are not optimal for secondary silumins. Laser treatment has shown high effectiveness in increasing of strength, wear resistance, corrosion and cavitation resistance of secondary Al-Si alloys, and the increased iron content contributed to additional solid solution hardening. Originality. It was established, that after refining-modifying treatment the phase Al5SiFe, which crystallizes in the shape of long stretched plates transformed into phase Al15(FeMn)3Si2 in skeletal or polyhedral shape. The relationship between iron content in secondary silumins and holding time during heat treatment that ensures optimum of mechanical properties was obtained. It was proved that the presence of iron-containing intermetallides Al5SiFe results in the decrease of hardened layer's depth during laser treatment. It was established, that with increasing of iron concentration the corrosion rate of secondary silumins in 3 % NaCl + 0.1 % H2O2 and 10 % HCl environments increases. Practical value. The offered technical solutions are instrumental in upgrading second silumins to the level which allows to utilize them as raw material for making of alloys on the basis of aluminium.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету зал1зничного транспорту, 2014, № 5 (53)
Keywords: silumins; modification; heat treatment; pulse laser treatment; foundry, mechanical and service
properties
REFERENCES
1. Volchok I.P, Lyutova O.V. Primeneniye vtorichnykh alyuminiyevykh splavov v transportnom mashinos-troyenii [Use of secondary aluminium alloys in transport engineering]. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu imeni akademika V. Lazariana [Bulletin of Dnipropet-rovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan], 2007, issue 14, pp. 225-227.
2. Volchok I.P., Skuybeda Ye.L. Termicheskaya obrabotka zhelezosoderzhashchikh siluminov [Heat treatment of iron-containing silumins]. Litye i metallurgiya - Foundry and metallurgy, 2012, no. 3 (67), pp. 94-97.
3. Ishchenko A.A., Andreyev S.I., Andreyev D.S. Ob ispolzovanii otkhodov alyuminiyevoy tary [About usage of waste of aluminium containers]. Metallurgiya mashinostroyeniya - Metallurgy of engineering, 2012, no. 5, pp. 18-19.
4. Lyutova O.V., Volchok I.P. Svarivayemost vtorichnykh siluminov [Weld ability of secondary silumins]. Stroitelstvo, materialovedeniye, mashinostroyeniye [Construction, material science, machine building], Dni-propetrovsk, 2011, issue 58, pp. 440-445.
5. Nemenenok B.M. Teoriya i praktika kompleksnogo modifitsirovaniya siluminov [Theory and practice of silumins complex modification]. Minsk, Tekhnoprint Publ., 1999. 272 p.
6. Volchok I.P., Mitiaiev O.A., Ostrovska A.Ye., Skuibida O.L. Modyfikator aliuminiievykh splaviv [Modifier of aluminium alloys]. Patent UA, no. u200902454, 2009.
7. Volchok I.P., Mitiaiev O.A., Liutova O.V., Shyrokobokova N.V., Povzlo V.M. Modyfikator dlia aliuminiievykh splaviv [Modifier for aluminium alloys]. Patent UA, no. 200800105, 2008.
8. Shyrokobokova N.V., Mitiaiev O.A., Volchok I.P., Kiurchev S.V., Kolodii O.S. Rafinuvalno-modyfikuvalnyi kompleks dlia aliuminiievykh splaviv [Refining and modifying complex for aluminium alloys]. Patent UA, no. u201112705, 2012.
9. Volchok I.P., Mitiaiev O.A., Liutova O.V., Shyrokobokova N.V., Povzlo V.M. Flius dlia obroblennia aliuminiievykh splaviv [Flux for aluminium alloys processing]. Patent UA, no. 200713840, 2008.
10. Volchok I.P., Mitiaiev O.A., Ostrovska A.Ye., Skuibida O.L. Flius dlia obroblennia aliuminiievykh splaviv [Flux for aluminium alloys processing]. Patent UA, no. 200902450, 2009.
11. Skuybeda Ye.L. Osobennosti izmeneniya morfologii zhelezistykh intermetallidov v strukture vtorichnykh siluminov pod vozdeystviyem termicheskoy obrabotki [Peculiarities of changes of iron-based intermetallides morphology in the structure of secondary silumins under the influence of heat treatment]. Litye i metallurgiya - Foundry and metallurgy, 2013, no. 4 (73), pp. 42-44.
12. Skuibida O.L., Volchok I.P. Pidvyshchennia mekhanichnykh vlastyvostei vtorynnoho syluminu AK5M2 [Improving of mechanical properties of secondary silumin АК5М2]. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznichnoho transportu imeni akademika V. Lazariana [Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan], 2010, issue 34, pp. 215-218.
13. Xinjin C., Campbell J. Morphology of fi-AlFeSi Phase in Al-Si Cast Alloys. Materials Transactions, 2006, vol. 47, no. 5 (2006), pp. 1303-1312. Available at: http://www.jim.orjp/journal/e/pdf3/47/05/1303.pdf (Accessed 25 September 2014). doi: 10.2320/matertrans.47.1303.
14. Gorny A. Characterization of Major Intermetallic Phases in solidified Al-xSi-yFe-zSr (x = 2 to 12,5 wt. %, y = 0 to 0,5 wt. % and z = 0 and 0,02 wt. %) alloys : (Open Access Dissertations and Theses. Paper 7445). Available at: http://digitalcommons.mcmaster.ca/opendissertations/7445/ (Accessed 25 September 2014).
15. Mityayev A. The role of intermetallic phases in fracture of aluminium alloys. Problems of modern techniques in engineering and education. Cracow, 2009, pp. 59-66.
Стаття рекомендована до публикацИ' д.т.н., доц. М. М. Бриковим (Украгна); д.т.н.,
проф. I. О. Вакуленком (Украгна)
Надшшла до редколегп: 20.05.2014
Прийнята до друку: 14.08.2014
