CC BY
25
систем при описании фазовых равновесий / Ольшанец-кий В. Е. // Новi матерiали i технологи в металургй та машинобудуваннi. - 2008. - № 2. - С. 34-39.
15. Гегузин Я. Е. Восходящая диффузия и диффузионное последствие / Гегузин Я. Е.// Успехи физических наук. -1986. - Т. 149. - Вып. 1. - С. 149-159.
16. Мутигуллин И. В. Влияние степени покрытия углеродом на возможность формирования твердого раствора внедрении в подповерхностном слое железа (001) и (111) / Мутигуллин И. В., Бажанов Д. И., Илюшин А. С. // ФТТ. -2011. - Т. 53. - Вып. 3. - С. 558-563.
Одержано 21.11.2013
Недоля А.В., Ольшанецкий В.Е. Расчетная оценка энергетического состояния нанокластера аустенита на основе Fe-C
Методом классической молекулярной динамики рассчитано энергетическое состояние нанокластера аустенита выбранного размера системы Fe-C. Расчеты показали, что движение углерода как примеси внедрения энергетически выгоднее в направлении поверхности в незавершенную октапору и поэтому его необходимо рассматривать как один из возможных механизмов реализации восходящей и зернограничной диффузии и перераспределения легирующих элементов на поверхности и границах зерен с образованием новых фаз.
Ключевые слова: аустенит, нанокластер, диффузия, подвижность, молекулярная динамика, октапора, поверхностная энергия.
Nedolia A., Ol'shanetskii V. The estimated energy value of the nanocluster austenite based on Fe-C
By classical molecular dynamics method the energy of selected size austenite nanocluster of Fe-C was calculated. Results show that the movement of carbon as an interstitial impurity is more favorable towards the surface in incomplete octahedral sites. This is one of possible mechanisms of realization of ascending and grain boundary diffusion and redistribution of alloying elements on surface and grain boundaries with the formation of new phases.
Key words: austenite, nanocluster, diffusion, mobility, molecular dynamics, octahedral state, the surface energy.
УДК 669.017.113:669.715 (043)
Д-р техн. наук В. И. Мазур, канд. техн. наук С. В. Капустникова, канд. техн. наук А. Ю. Шпортько, С. В. Бондарев
Нацюнальна металурпчна академiя Украши, м. Днтропетровськ
ЗАЛЕЖН1СТЬ СТРУКТУРИ ТА ВЛАСТИВОСТЕЙ СИЛУМ1НУ П1СЛЯ ТВЕРД1ННЯ В1Д СТАНУ Р1ДКОГО СПЛАВУ
До^джено мжроструктуру та механiчнi властивостi затвердыого сплаву АК12 пiсля його термочасовог обробки в рiдкому станi. Показано, що вiдбуваeться покращення структури та стрибкоподiбне зростання мiцностi та пластичностi виливтв пiсля нагрiву сплаву до температур структурних перебудов у рiдкому стан 720, 780, 830 °С.
Ключовi слова: cилумiн, термочасова обробка, розплав, евтектика, властивостi.
Вступ
Велике мюце в o6ch3í виробництва алюмшевих сплаив належить ливарним алюмшевим сплавам i, на-самперед, сплавам системи Al-Si - силумшам. 1з цих сплавiв вщливають деталi цилiндро-поршневоl групи автотракторних та танкових двигутв, корпусш деталi i багато ш.
Основною структурною складовою силумшв е евтектика a-Al + Si. Ввд об'емно! частки евтектики в сплаш залежать ливарт властивосп (рщкоплинтсть) силумшв. Рiвень мехатчних властивостей (мштсть, пластичтсть,
жаромщтстъ та iH.) суттево залежить ввд будови евтек-тичних колонш, об'емно! частки евтектики та ступеня кооперативносп росту евтектичних фаз.
Щдвищення механiчних властивостей можна частко-во досягти термiчною обробкою ввдливка або деталi, од-нак така технологiчна операцiя не може вплинути на морфологш евтектичних колонш. Разом з тим узагалъ-нення резулътапв експерименталъних дослвдженъ, отри-маних за останнi десятилiття, сввдчитъ про генетичний взаемозв'язок сплавiв у редкому i твердому станi, що роз-ширюе можливосп i шляхи полшшення якосп лиття.
© В. И. Мазур, С. В. Капустникова, А. Ю. Шпортько, С. В. Бондарев, 2013
34
Численнi роботи, присвяченi вивченню взаемо-зв'язку редкого i твердого металевих станiв [1-3], пока-зують, що велик! можливостi полiпшення структури i властивостей металiв i сплавiв лежать у використанш рiзних видiв рщкофазно! обробки розплавiв, одним з яких е термочасова обробка (нагрiвання редкого сплаву до задано! температури i витримка його при цш тем-пературi протягом певного часу).
Ведомо, що залежно в1д часу витримки розплаву при певнiй температур^ параметри ближнього порядку в ньому можуть змiнюватися. При цьому змiнюються i фiзико-механiчнi властивосп затвердiлого зливка.
Вплив рiдкого стану на структуру сплаву i його властивосп у твердому станi встановлено для сплашв рiзних систем [4, 5]. У [6] показано позитивний вплив термо-часово! обробки розплаву на структуру i властивостi нiкелевих сплашв.
В запропонованiй роботi проведено доследження структури зразк1в зi сплаву АК12, який шддавався тер-мочасовiй обробщ в рiдкому станi та мехашчним вип-робуванням пiсля твердiння розплаву з визначених температур.
Матерiали та методика дослщжень
Матерiалом дослiджень був силумiн АК12 близько-евтектичного складу iз вмiстом домiшкiв: Бе (до 0,6 % мас.), Мп (до 0,3 % мас.), Си та N1 (до 0,01 % мас.) та ш.
Доследження мiкроструктури сплашв проводили на металографiчних шлiфах, виготовлених за стандартною методикою, з використанням свггового мiкроскопа «№ЮРН0Т-30» та стандартного протравлювача алюм-iнiевих сплавiв - 0,5 % водяного розчину НЕ Просто-рову будову евтектичних колонш рiзних типiв дослед-жували методом растрово! електронно! мжроскопп з використанням растрового електронного мiкроскопа КМ-35.
Для вивчення будови розплавiв АК12 використову-вали методи рентгешвсько!' дифракцп. Рентгенодиф-ракцiйнi дослiдження проводили на високотемпера-турнiй рентгенiвськiй установцi лабораторп фiзики редких металiв 1МФ НАН Укра!ни. Дифракцiйнi кривi, як1 являють собою залежтсть iнтенсивностi розсiяного рентгенiвського випромiнювання вiд кута розсшван-ня, отримували при рiзних температурах перегрiву розплаву (720.. .900) °С. Час iзотермiчноl витримки при всiх температурах до^джень був однаковим i становив 15 хв. На основi експериментально отриманих залеж-ностей з використанням ведповедних рiвнянь будували функцп радiального розпод^ атомiв (ФРРА). Аналiз криво! дозволяе визначити площi пiд максимумами
(Амин) та положення максимушв (гх), тобто структурт
параметри розплаву для задано! температури.
Вплив термочасово! обробки розплаву та !! ефек-тивтсть оцiнювали за змiною мехашчних властивостей зразк1в дослiджуваного сплаву. Мехашчш властивостi (ав - тимчасовий отр розриву, 5 - ведносне подо-вження) визначали при випробовуваннях зразк1в на
розтяг на розривнш машинi БР-100 згедно з ГОСТ 1497-84. Зразки для випробувань отримували при кристалiзацi! сплаву в металевому кокiлi (Уохол ~ 102 °С/с). Сплав на-грiвали до рiзних температур у iнтервалi (600.900) °С, витримували при заданих температурах упродовж 15 хв, пот1м заливали в кокшь.
Результата та \х обговорення
Аналiз ФРРА, отриманих при рентгенодифракцш-них доследженнях редкого силумiну АК12, сведчить про iстотну змiну структурного стану розплаву в iнтервалi температур (720.900) °С (рис. 1).
га
.5 а
га х
г
о
2,84 2,83 2,82 2,81 2,80 2,79 ■
га
* 2,78
2,77
710
ф
770 г —эе&-
„А
700 750 800 850
Температура, "С
900
12,0
11,5
11,0
¡10,5
г
с
10,0 9,5 9,0
710 Г20
7ВП
730* 4 820 \ ,840 9Ш' 830*/
1
700
750 ВОО 850
Температура, 'С
900
Рис. 1. Змша структурных параметр1в г (а) 1 Амин (б) в штервал! температур (720.900) °С
Використаш модельш уявлення про будову розп-лашв дозволили визначити, що редкий сплав АЛ 12 при температурах 720, 780, 830 °С характеризуеться квазь евтектичним типом будови. Складовими квазiевтекти-ки е кластери в основному двох титв: шрш1 склада-ються переважно з ашшв А1 з упакуванням, яке по-дiбне ГЦК гратцi спотворенш у 61к тетрагональностi; друп - з ашшв А1 та 81 з упакуванням ашшв, яке е характерним для метастабiльно!' П - фази з тетрагональною граткою [7]. Така будова найбiльшою м1рою е характерною для розплаву при температур 830 °С. З педви-щенням температури до 900 °С спостерiгаеться педви-щення ступеня мшроодноредносп розплаву, а при температурi Т = 900 °С розподшення атомiв кремнiю стае одноредним.
а
б
1607-6885 Новi маmерiали i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2013
35
Ураховуючи особливосп будови розплаву при заз-начених температурах, важливо було встановити, як вони впливають на структуру та мехашчш властивосп дослвджуваного сплаву тсля його твердання. З щею метою було проведено докладш дослщження мжрострук-тури зразк1в тсля !хнього випробовування на розтяг (рис. 2, 3).
Поблизу м1сць руйнування структура зразк1в харак-теризуеться р1зними структурними складовими: денд-ритами а - твердого розчину та двома евтектиками -грубодиференцьованою 1 тонкодиференцьованою. Об'емна частка структурних складових у зразках е р1зною 1 залежить в1д температури розплаву перед за-ливанням у кок1ль. Зм1нюеться також 1 об'емна частка висококремшево! фази в евтектиках.
стивостеи виливк1в, причому зростають як м1цн1сн1 ( ств ), так i пластичт властивосп ( S ) - табл. 1.
Рис. 2. Мжроструктура зразка, що затверд1в тсля нагр1ву розплаву до температури 830 °С: а - х200; б - х800; в - х4000
У зразках, отриманих твердшням розплаву, нагргто-го до температур 640, 700, 760, 800, 900 °С (рис. 3), змен-шуеться об' емна частка висококремшево! фази на далян-ках евтектики з тонким диференшюванням i зменшуеть-ся об'емна частка те! евтектики в структур!. З'являються д1лянки евтектики з дуже низьким ступенем коопера-тивносп зростання фаз, схож1 на структуру грубого конгломерату, пластини евтектичного кремшю злегка зггнуп (рис. 3, в). Пор1вняння цих структур показуе, що термочасова обробка рщкого сплаву АК12 при температурах структурних перебудов у розплав1 суттево мо-диф1куе литу структуру: зм1нюеться морфолопя евтектики, з'являеться тонкодиференцшована евтектика, збшьшуеться ïï об'емна частка i частка висококремшево! фази в нш.
Мехашчш випробування литих зразюв з1 сплаву АК12 показали, що при температурах нагр1ву, близьких температурам структурних перебудов у рщкому сташ, вщбуваеться стрибкопод1бне зростання мехатчних вла-
Рис. 3. Мжроструктура зразка, що затверд1в тсля нагр1ву розплаву до температури 760 °С: а - х 200; б - х 800; в - х 4000
Таблиця 1 - Мехашчш властивосп литих зразюв сплаву АК12, яю були отримаш тсля термочасово! оброб-ки розплаву
Температура нагргву, °С Тимчасовий отр розриву ств , МПа Вщносне подовження S , %
640 170 2,6
700 180 2,9
720 185 3,2
760 180 2,5
780 195 3,7
800 182 3,3
830 200 4,5
900 185 3,2
Зпдно [8], у бшарних силумшах р1вень мщикних властивостей в основному визначаеться трьома структурними характеристиками: об'емною часткою кремшю, розм1ром i формою частинок кремшю та середньою вщстанню м1ж такими частинками. Мехашчт властивосп максимальт в тих випадках, коли в структур! зразюв максимальна об'емна частка тонкодиференцшовано1 евтектики з бшьшою об'емною часткою висококремн-1ево! фази, мехашчш властивосп яко! перевищують ана-лопчт характеристики грубодиферентИовано!' евтектики i а - твердого розчину кремню в алюмшл (рис. 2).
Це ввдбуваеться через яюсн1 змши фазового складу, змши типу кристалчно! решгтки висококремшево! фази, тобто утворення метастабшьних пром1жних фаз. При подальшш змш температури нагр1ву розплаву спосте-ртаеться зменшення ст в i S , що пов'язано з1 зменшен-
е
в
ням об'емно! частки тонкодиференцшовано1 евтекти-ки (рис. 3).
Таким чином, застосовуючи обробку силумiнiв, яка полягае в нагрiвi 1х у редкому станi до визначених температур, що обираються з урахуванням структурних пе-ребудов у розплавi, можливо значно полiпшити структуру та тдвищити механiчнi, а також службовi власти-восп виробiв iз цих сплавiв.
Висновки
1. Термочасова обробка редкого доследжуваного сплаву при температурах структурних перебудов у роз-плавi iстотно модиф^е литу структуру: змiнюеться морфологiя евтектики, з'являеться тонкодиференцшо-вана евтектика, збшьшуеться 11 об' емна частка i частка висококремшево! фази в нiй.
2. Мехашчш випробування литих зразк1в зi сплаву АК12 показали, що при температурах на^ву розпла-ву, близьких до температур структурних перебудов у редкому сташ 720, 780, 830 °С, ведбуваеться стрибкопод-iбне зростання механiчних властивостей виливк1в, при-чому зростають як мiцнiснi (до 200 МПа), так i плас-тичт властивосп (до 4,5 %).
Список лтератури
1. Жукова Л. А. К классификации металлических расплавов / Жукова Л. А., Попелъ С. И. // Расплавы. - 1990. -№ 4. - С. 29-32.
2. Баум Б. А. О взаимосвязи жидкого и твердого металлических состояний / Баум Б. А. // Расплавы. - 1988. - Т. 2, вып. 2. - С. 18-32.
3. Губенко А. Я. Взаимосвязь между свойствами жидкой и твердой фаз / Губенко А. Я. // Расплавы. - 1991. - № 1. -С. 27-33.
4. Жидкая сталь / [Баум Б. А., Г. А. Хасин, Г. В., Тягунов Г. В. и др.]. - М. : Металлургия, 1984. - 208 с.
5. Исходные расплавы как основа формирования структуры и свойств алюминиевых сплавов / [Бродова И. Г., Попель П. С., Барбин Н. М., Ватолин Н. А.]. - Екатеринбург : УрО РАН, 2005. - 361 с.
6. Наумик В. В. Перспективы использования возврата при получении качественных отливок из никелевых сплавов с управляемой кристаллизацией / В. В. Наумик, Э. И. Ци-вирко, В. В. Лунев // Технологи отримання та обробки конструкцшних матер1ал1в. - 2007. - С. 37-43.
7. Мазур А. В. Влияние термовременной обработки расплава на фазовый состав А1-21,5 сплава / А. В. Ма-зур // Нов1 матер1али 1 технологи в металургй та маши-нобудуванш. - 2010. - № 2. - С. 15-20.
8. Строганов Г. Б. Сплавы алюминия с кремнием / Строганов Г. Б., Ротенберг В. А., Гершман Г. Б. - М. : Металлургия, 1977. - 272 с.
Одержано 26.12.2023
Мазур В.И., Капустникова С.В., Шпортько А.Ю., Бондарев С.В. Зависимость структуры и свойств силумина после затвердевания от состояния жидкого сплава
Исследованы микроструктура и механические свойства затвердевшего сплава АК12 после его термовременной обработки в жидком состоянии. Показано, что происходит улучшение структуры и скачкообразный рост прочности и пластичности отливок после нагрева сплава до температур структурных перестроек в жидком состоянии 720, 780, 830 °С.
Ключевые слова: силумин, термовременная обработка, расплав, эвтектика, свойства.
Mazur V., Kapustnikova S., Shportko A., Bondarev S. Dependence of Al-Si flloy structure and properties after solidification on the liquid melt condition
The microstructure and mechanical properties of the solidified alloy AK12 after thermal time treatment of melt was investigated. It is shown that an improvement of the structure and abrupt increase in strength and ductility of castings after heating to alloy temperatures of structural rearrangements in the liquid state 720, 780, 830 °С.
Key words: Al-Si alloy, thermal time treatment, melt, eutectic, properties.
ISSN 1607-6885 Новi матерiали i технологи в металургй та машинобудуванш №2, 2013 37
