CC BY
144
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2013, вип. 3 (45)
УДК 669.715
О. В. ЛЮТОВА1*
1 Каф. «Начертательная геометрия и компьютерная графика», Запорожский национальный технический университет, ул. Жуковского, 64, 69063, Запорожье, Украина, тел. +38 (061) 769 85 32, эл. почта tmzntu@gmail.com
ПОВЫШЕНИЕ ЛИТЕЙНЫХ СВОЙСТВ ВТОРИЧНЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
Цель. Изучить влияние металлургических факторов производства на литейные свойства вторичного алюминиевого сплава АК9М2. Методика. Для экспериментальных плавок в качестве независимых переменных были выбраны количество стружки в шихте, содержание железа и величина присадки модификатора. Компоненты модификатора изменялись в интервалах 25...40 % №2С03, 12...20 % 3...8 % ТЧ, остальное - 8. Микроструктуру сплавов исследовали под световым микроскопом, с использованием методик количественной металлографии. Анализ влияния конкретных параметров сплавов осуществляли с использованием методов математической статистики. Изучали влияние добавок стружки, количества железа и модификатора на жидкотекучесть и пористость получаемых сплавов. Результаты. В работе показано, что увеличение содержания стружки в шихте от 1 до 19 % и количества железа в сплаве от 0,66 до 2,34 %, приводило к снижению жидкотекучести сплава на 30.35 %. Одновременно наблюдалось уменьшение линейной усадки на 18.20 % и прирост пористости от 0,5 до 2,5 балла. Представленные изменения литейных свойств сплава обусловлены количеством интерметаллидных фаз неблагоприятной формы и его способностью к насыщению газами. Увеличение присадки модификатора с 0,02 до 0,15 % приводило к повышению жидкотекучести на 10.15 %, росту линейной усадки на 30.35 % и снижению пористости с 2,5 до 0,5 балла. Одновременно наблюдалось изменение формы интерметаллидных фаз и рост равномерности их распределения. Научная новизна. Увеличение концентрации железа в составе силумина сопровождается снижением его жидкотекучести. При этом темп снижения жидкотекучести сплава пропорционален количеству растворенного железа. Характер влияния железа обусловлен образованием высокотемпературных интерметаллидных соединений типа А13Ре, Al5SiFe, которые повышают вязкость металла. Практическая значимость. Использование полученных научных результатов на практике позволило разработать технические решения, направленные на повышение качественных показателей силуминового сплава.
Ключевые слова: вторичные алюминиевые сплавы; жидкотекучесть; линейная усадка; пористость; модификатор
Введение ствует проблема их переработки. Одним из
перспективных направлений является исполь-
Благодаря малой плотности, хорошей кор- зование при производстве алюминиевых спла-розионной стойкости и достаточно высокой вов указанных отходов в качестве вторичного удельной прочности алюминиевые сплавы по сырья [10, 11, 13]. Более того, указанная про-объемам применения занимают второе место блема является особенно актуальной для Ук-после стали и чугуна. В железнодорожном раины. Имея достаточно развитую отрасль, ко-транспорте Европы на сегодняшний день 80 % торая непрерывно требует повышения произ-вагонов изготовлены с использованием алюми- водства алюминиевых сплавов, в действитель-ниевых сплавов [1, 4, 8]. Для снижения массы ности можно полагать, что Украина практиче-деталей, уменьшения инерционных сил и виб- ски уже утратила собственное производство раций машин, а также затрат на механическую алюминия. На основании этого, производство обработку производится замена чугунных дета- вторичного алюминия и его сплавов, в силу лей (шкив, дисков, рабочих колес и лопаток меньших энергетических затрат и выбросов в вентиляторов, различного рода крышек и кор- окружающую среду, имеет тенденцию к воз-пусов механизмов) на алюминиевые. растанию.
В связи с постоянным ростом производства С другой стороны, вторичные алюминиевые изделий из алюминиевых сплавов, накоплением сплавы имеют более низкие механические и лома и отходов, в современных условиях суще- технологические свойства по сравнению
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2013, вип. 3 (45)
с первичными [3, 12]. Литейные свойства, такие как жидкотекучесть и линейная усадка вторичных алюминиевых сплавов, позволяют получить отливки более точных размеров (по сравнению со стальными и чугунными) и со значительно высоким уровнем чистоты поверхности. Достаточно существенное влияние на качество алюминиевых сплавов оказывает их способность насыщаться газами.
Цель
Целью работы явилось изучение влияния металлургических факторов, таких как: изменение состава шихтовых материалов, содержания железа в сплаве и количества добавляемого модификатора - на качественные показатели вторичных силуминов.
Методика
Для экспериментальных плавок была использована шихта, состоящая из вторичного сплава на основе алюминия АК9М2 и стружки того же сплава. Плавки проводились согласно матрице планирования эксперимента 23. В качестве независимых переменных были выбраны количество стружки в шихте от 1 до 19 %, содержание железа (в сплаве изменялось от 0,66 до 2,34 %) и величина добавляемого модификатора (изменение в интервале от 0,02 до 0,22 %). Состав модификатора варьировали в следующих соотношениях компонентов (в % по массе): 25...40 % ^СОз, 12...20 % 3...8 % И, остальное - 8. Необходимость приведенного соотношения компонентов изложена в [9].
Рис. 1. Микроструктура (*500) сплава АК9М2 в состоянии без термической обработки: а - 15,4 % С; 1,185 % Бе; 0,18 % М; б - 15,4 % С; 1,869 % Бе; 0,18 % М; е - 4,6 % С; 1,895 % Бе; 0,06 % М; г - 10 % С; 2,090 % Бе; 0,12 % М; (С - стружка; М - модификатор)
Микроструктуру сплавов после изготовления исследовали под световым микроскопом, с использованием методик количественной металлографии. Анализ и оценку степени влияния
конкретных параметров сплавов осуществляли с использованием методов математической статистики. В работе значительное внимание уделялось изучению влияния добавок стружки
а
в
г
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2013, вип. 3 (45)
алюминиевого сплава, количества железа и модификатора на жидкотекучесть и пористость получаемых сплавов.
Результаты
Экспериментальные сплавы имели структуру типичную для доэвтектических сплавов, состоящую из a-твердого раствора кремния и других элементов в алюминии (a-Al) и эвтектики, состоящей из a-Al и частиц разной формы на основе легированного кремния (P-Si), а также интерметаллидных включений (рис. 1, а).
В зависимости от состава шихты, содержания в ней стружки и присадки модификатора частицы кремния серо-зеленого цвета имели форму от близкой к глобулярной (рис. 1, б) до пластинчатой (рис. 1, в). Основными включениями интерметаллидов были железосодержащие фазы, наиболее часто встречалась фаза Al5SiFe белого цвета, имевшая ярко выраженную пластинчатую форму, наиболее часто она встречалась в сплавах с повышенным содержанием железа (рис. 1, в, г). С целью анализа влияния исследуемых параметров на качество сплава (литейные свойства) использовались методы математической статистики. Результаты обработки позволили построить зависимости влияния количества стружки, концентрации железа и модификатора на жидкотекучесть и пористость сплава.
Как видно из рис. 2 а, б увеличение содержания стружки в шихте, а также количества железа в сплаве, в исследуемых пределах однозначно приводили к снижению жидкотекучести на 30...35 %.
Такое влияние железа можно объяснить образованием интерметаллидных фаз Al3Fe, Al5SiFe, которые согласно [2, 6] имеют более высокую температуру плавления по сравнению с алюминиевыми сплавами, что приводит к увеличению вязкости жидкого металла и, как следствие, к снижению его жидкотекучести.
Увеличение присадки модификатора с 0,02 до 0,15 % приводило к повышению жидкотеку-чести на 10.15 %. При дальнейшем увеличении присадки модификатора жидкотекучесть оставалась практически неизменной (рис. 2, в). Увеличение содержания стружки с 1 до 19 % приводило к росту пористости с 0,5 до 2. 2,5 балла ДСТУ 2839-94 (ГОСТ 1583-93) (рис. 3.а). Такое явление можно объяснить повышенным содержанием газов и оксида алюминия Al2O3 в
стружке и соответственно в сплаве. Железо не оказало существенного влияния на пористость сплава (рис. 3, б).
Модификатор, который применяли в настоящих исследованиях, предназначен для решения двух основных задач: перехода к глобулярной форме интерметаллидных фаз и снижения содержания газов в силуминах.
500 -
200 -1-1-1-1
а 0 5 10 15 20 Стружка, %
500 т
200 -1-1-1-1
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Fe, %
б
420 -i
400 - _____С=10%
Е — 0,66% Fe
\ 380 -
a¡ 360 - У
280 -1-1-1-1-1
б 0 0,05 одо 0,15 0,20 0,25 Модификатор, %
Рис. 2. Влияние металлургических факторов на
жидкотекучесть сплава АК9М2: а - стружки; б - железа; в - модификатора
За счет последнего фактора можно объяснить существенное снижение с 2,5 до 0,5 балла пористости с увеличением присадки модификатора с 0,02 до 0,22 % (рис. 3, в).
На рис. 4 представлена зависимость линейной усадки еЛ от исследуемых металлургических факторов. Некоторое уменьшение величины линейной усадки с ростом содержания стружки, на наш взгляд, объясняется увеличением газосодержания сплава. Тенденцию к
© О. В. Лютова, 2013 55
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2013, вип. 3 (45)
снижению линеинои усадки с увеличением в сплаве содержания железа можно объяснить образованием дополнительных центров кристаллизации в виде железосодержащих интер-металлидных фаз.
м=о
турных интерметаллидных соединении типа Л13Бе, Л1581Бе, которые повышают вязкость металла.
Использование полученных научных результатов на практике позволило разработать технические решения, направленные на повышения качественных показателеи силуминово-го сплава.
Рис. 3. Влияние металлургических факторов на пористость сплава АК9М2: а - стружки; б - железа; в - модификатора
Увеличение модификатора приводит к повышению величины линеинои усадки вследствие рафинирования жидкого металла, что согласуется с данными [5, 7].
Научная новизна и практическая значимость
Увеличение концентрации железа в составе силумина сопровождается снижением его жид-котекучести. При этом темп снижения жидко-текучести сплава пропорционален количеству растворенного железа. Характер влияния железа обусловлен образованием высокотемпера-
Рис. 4. Влияние металлургических факторов
на линейную усадку сплава АК9М2: а - стружки; б - железа; в - модификатора
Выводы
1. Использование в качестве шихты стружки в количестве до 10...15 % и присадок железа в сплаве до 1.1,5 % способствуют достижению достаточно высокого уровня своиств алюминиевого сплава.
2. Добавление модификатора в количестве до 0,1.0,15 %, способствуя рафинированию сплава, приводит к повышению его линеинои усадки.
а
а
б
б
в
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2013, вип. 3 (45)
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Волчок, И. П. Применение вторичных алюминиевых сплавов в транспортном машиностроении / И. П. Волчок, О. В. Лютова // Вюник Дшпропетр. нац. ун-ту залiзн. трансп. iм. акад. В. Лазаряна. - Д., 2007. - Вип. 14. - С. 225-227.
2. Диаграммы состояния металлических систем /
H. И. Ганина, А. М. Захарова, В. Г. Оленичева, Л. А. Петрова. - Вып. XXXIV. - М. : ВИНИТИ, 1990. - 600 с.
3. Лютова, О. Пвдвищення якосп вторинних алюмшевих сплавiв / О. Лютова, О. Мпжв,
I. Волчок // Машинознавство. - 2007. -№ 8 (122). - С. 32-35.
4. Мпжв, О. А. Шдвищення якосп алюмшевих сплаыв методами раф^вання та модиф^ван-ня / О. А. Мпжв, О. Л. Скуйбща // Вюник Дшпропетр. нац. ун-ту залiзн. трансп. iм. акад. В. Лазаряна. - Д., 2009. - Вип. 29. - С. 195-197.
5. Модифицирование сплава АК6М2 / В. И. Никитин, А. И. Ивашкевич, А. В. Ивлев, А. Н. Лесниц-кий, Е. Б. Пронь // Литейное производство. -1999. - № 1. - С. 30-31.
6. Мондольфо, Л. Ф. Структура и свойства алюминиевых сплавов / Л. Ф. Мондольфо. - М. : Металлургия, 1979. - 640 с.
7. Скуйбвда, О. Л. Шдвищення мехашчних вла-стивостей вторинного силум^ АК5М2 / О. Л. Скуйбвда, I. П. Волчок // Вюник Дшпро-
О. В. ЛЮТОВА1*
'*Каф. «Нарисна геометрiя та комп'ютерна графжа», Зап^зький нацюнальний техшчний ушверситет, вул. Жуковського, 64, 69063, Зап^жжя, Укра1на, тел. +38 (061) 769 85 32, ел. пошта tmzntu@gmail.com
П1ДВИЩЕННЯ ЛИВАРНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ВТОРИННИХ АЛЮМШ1СВИХ СПЛАВ1В
Мета. Вивчити вплив металургшних чинник1в виробництва на ливарнi властивостi вторинного алюмшь евого сплаву АК9М2. Методика. Для експериментальних плавок в якостi незалежних змiнних були вибранi к1льк1сть стружки в шихп, змiст залiза i величина присадки модифiкатора. Компоненти модифшатора змь нювалися в iнтервалах 25...40 % №2С03, 12...20 % SiC, 3...8 % Ti, решта - 8. Мжроструктуру сплавiв досль джували пвд свiтловим мiкроскопом, з використанням методик шлькюно! металографи. Аналiз впливу конк-ретних параметрiв сплавiв здшснювали з використанням методiв математично! статистики. Вивчали вплив добавок стружки, кшькють залiза i модифiкатора на рвдкотекучють i пористiсть отримуваних сплавiв. Результата. У робот показано, що зб№шення вмiсту стружки в шихтi ввд 1 до 19 % i кiлькостi залiза в сплавi ввд 0,66 до 2,34 % призводило до зниження рiдкотекучостi сплаву на 30...35 %. Одночасно спостерь галося зменшення лшшно! усадки на 18.20 % i приросту пористостi ввд 0,5 до 2,5 балiв. Представлен змь ни ливарних властивостей сплаву обумовлеш к1льк1стю iнтерметалiдних фаз несприятливо! форми i його здатнiстю до насичення газами. Збiльшення присадки модифшатора з 0,02 до 0,15 % призводило до шдвищення рщкотекучосп на 10.15 %, зростанню лшшно! усадки на 30.35 % i зниженню пористостi з 2,5 до 0,5 балу. Одночасно спостерталася змша форми iнтерметалiдних фаз i зростання рiвномiрностi !х розподiлу. Наукова новизна. Збшьшення концентраци залiза у складi силумiну супроводжуеться зниженням його рвд-
петр. нац. ун-ту зал1зн. трансп. iM. акад. В. Лазаряна. - Д., 2010. - Вип. 34. - С. 215-218.
8. Пат. 57584А Украша, МКВ С22С1/06. Моди-фшатор для алюмiнieвих сплавiв / Волчок I. П., Мггяев О. А. (Украша) ; заявник i патенто-власник Запорiзький нац. техн. ун-т. -№ 2002108343 ; заявл. 22.10.2002 ; опубл. 16.06.2003, Бюл. № 6. - 4 с.
9. Скуйбвда, О. Л. Щдвищення якосп алюмшевих сплаив за рахунок модифiкування / О. Л. Скуйбвда, I. П. Волчок // Вюник Дшпропетр. нац. ун-ту залТзн. трансп. iM. акад. В. Лазаряна - Д., 2011. - Вип. 37. - С. 235-237.
10. Engler, S. Continuous monitoring of the degassing process in aluminium melts / S. Engler, X.-G. Chen, F.-J. Klinkenberg // Cast Metals -1995. - № 8 (1). - P. 27-34.
11. Koewius, A. Aluminium, automobil und recycling einige grundsätzliche aspekte / A. Koewius // Automobiltechnische Zeitschrift. - 1995 - № 4. -P. 248-250.
12. Lyutova, O. V. Increase of foundry properties of secondary silumins / O. V. Lyutova, I. P. Volchok // Archives of foundry engineering. - 2008. -Vol. 8. - P. 89-91.
13. Recycling of aluminum swarf by direct incorporation in aluminum melts / H. Puga, J. Barbosa, D. Soares, F. Silva, S. Ribeiro // Journal of Materials Processing Technology. - 2009. - Vol. 209. -P. 5195-5203.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2013, вип. 3 (45)
котекучосп. При цьому темп зниження рiдкотекучостi сплаву пропорцiйний кiлькостi розчиненого залiза. Характер впливу залiза обумовлений утворенням високотемпературних iнтерметалiдних з'еднань типу Al3Fe, Al5SiFe, якi шдвищують в'язшсть металу. Практична значимкть. Використання отриманих науко-вих результатiв на практищ дозволило розробити технiчнi рiшення, яш спрямованi на пвдвищення як1сних показнишв силумiнового сплаву.
Ключовi слова: вторинш алюмiнieвi сплави; рiдкотекучiсть; лiнiйна усадка; порислсть; модифiкатор
0. V. LYUTOVA1*
'*Dep. «Descriptive Geometry, Engineer and Computer Graphics», Zaporizhzhia National Technical University, Zhukovskiy Str., 64, 69063, Zaporizhzhia, Ukraine, tel. +38 (061) 769 85 32, e-mail tmzntu@gmail.com
INCREASING OF FOUNDING PROPERTIES OF SECONDARY ALUMINIUM ALLOYS
Purpose. To study the influence of metallurgical factors of production on casting properties of secondary aluminum alloy АК9М2. Methodology. For the experimental melts shaving amount in a charge, iron content and the quantity of modifier additive were chosen as independent variables. The components of modifier were being changed in the intervals of 25...40 % Na2COs, 12...20 % SiC, 3...8 % Ti, the other - S. The microstructure of alloys was investigated under a light microscope, using the method of quantitative metallography. Influence analysis of certain parameters of alloys was conducted by mathematical statistics methods. The influence of shaving additions, iron and modifier amount on liquidity and porosity of the resulting alloys was studied. Findings. The paper shows that the increase of shaving content in the charge from 1 to 19 % and iron content in alloy from 0.66 to 2.34 % resulted in the decline of alloy liquidity on 30.35 %. Simultaneously the linear shrinkage reduction for 18.20 % and the porosity increase from 0.5 to 2.5 points were observed. The presented changes of alloy casting properties are conditioned by the amount of intermetallic phases of unfavorable form and its capacity for aeration. Increase of modifier additive from 0.02 to 0.15 % resulted in the liquidity increase on 10.15 %, the increase of linear shrinkage on 30.35 % and porosity decline from 2.5 to 0.5 points. At the same time a change of form of intermetallic phases and increase of their evenness were observed. Originality. The increase of iron concentration in silumin composition is accompanied by the decline of its liquidity. Thus, the rate of decline of alloy liquidity is proportional to the amount of dissolved iron. The character of iron influence is caused by formation of high temperature intermetallic compounds of the type Al3Fe, Al5SiFe, which promote the metal viscidity. Practical value. Practical use of the obtained scientific results would develop the technical solutions oriented to the quality indicator increase of silumin alloy.
Keywords: secondary aluminum alloys; liquidity; linear shrinkage; porosity; modifier
REFERENCES
1. Volchok I.P., Lyutova O.V. Primeneniye vtorichnykh alyuminiyevykh splavov v transportnom mashinos-troyenii [Use of the secondary aluminum alloys in the transport machine building]. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu imeni akademika V. Lazariana [Bulletin of Dnepropetrovsk National University named after Academician V. Lazaryn], 2007, issue 14, pp. 225-227.
2. Ganina N.I., Zakharova A.M., Olenicheva V.G., Petrova L.A. Diagrammy sostoyaniya metallicheskikh sistem [Structural diagram of the metal systems], 1990, issue XXXIV, 600 p.
3. Liutova O., Mitiaiev O., Volchok I. Pidvyshchennia yakosti vtorynnykh aliuminiievykh splaviv [Quality improvement of the secondary aluminum alloys]. Mashynoznavstvo - Machine Science, 2007, no. 8 (122), pp. 32-35.
4. Mitiaiev O.A., Skuibida O.L. Pidvyshchennia yakosti aliuminiievykh splaviv metodamy rafinuvannia ta modyfikuvannia [Quality improvement of the secondary aluminum alloys by means of refinement and modification]. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu imeni akademika V. Lazariana [Bulletin of Dnipropetrovsk National University named after Academician V. Lazaryn], 2009, issue 29, pp. 195-197.
5. Nikitin V.I., Ivashkevich A.I., Ivlev A.V., Lesnitskiy A.N., Pron Ye.B. Modifitsirovaniye splava AK6M2 [Modification of the AK6M2 alloy]. Liteynoyeproizvodstvo - Foundry engineering, 1999, no. 1, pp. 30-31.
6. Mondolfo L.F. Struktura i svoystva alyuminiyevykh splavov [Structure and properties of aluminum alloys].
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2013, вип. 3 (45)
Moscow, Metallurgiya Publ., 1979. 640 p.
7. Skuibida O.L., Volchok I.P. Pidvyshchennia mekhanichnykh vlastyvostei vtorynnoho syluminu AK5M2. [Mechanical properties improvement of the secondary silumin AK5M2]. Visnyk Dnipropetrovskoho natsion-alnoho universytetu zaliznychnoho transportu imeni akademika V. Lazariana [Bulletin of Dnipropetrovsk National University named after Academician V. Lazaryn], 2010, issue 34, pp. 215-218.
8. Volchok I.P., Mitiaiev O.A. Modyfikator dlia aliuminiievykh splaviv [Modifier for aluminum alloys]. Patent UA, no. 2002108343, 2003.
9. Skuibida O.L., Volchok I.P. Pidvyshchennia yakosti aliuminiievykh splaviv za rakhunok modyfikuvannia [Aluminum alloys quality improvement using modification]. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho univer-sytetu zaliznychnoho transportu imeni akademika V. Lazariana [Bulletin of Dnipropetrovsk National University named after Academician V. Lazaryn], 2011, issue 37, pp. 235-237.
10. Engler S., Chen X.-G., Klinkenberg F.-J. Continuous monitoring of the degassing process in aluminum melts. Cast Metals, 1995, no. 8 (1), pp. 27-34.
11. Koewius A. Aluminium, Automobil und Recycling einige grundsätzliche Aspekte. Automobiltechnische Zeitschrift, 1995, no. 4, pp. 248-250.
12. Lyutova O.V., Volchok I.P. Increase of foundry properties of secondary silumins. Archives of foundry engineering, 2008, vol. 8, pp. 89-91.
13. Puga. H., Barbosa J., Soares D., Silva F., Ribeiro S. Recycling of aluminum swarf by direct incorporation in aluminum melts. Journal of Materials Processing Technology, 2009, vol. 209, pp. 5195-5203.
Статья рекомендована к публикации к.т.н., доц. Л. И. Котовой (Украина); к.т.н., доц.
О. А. Чайковским (Украина)
Поступила в редколлегию 27.03.2013
Принята к печати 04.06.2013
