РАСПЛАВЫ
4 • 2013
УДК 538.91
© 2013 г. С. Л. Тимченко1, Л. И. Кобелева, Н. А. Задорожный
ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА НА ПОРИСТОСТЬ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
Проведено исследование пористости алюминиевых сплавов (АК12 и АК12М2МгН), кристаллизация которых происходила в песчаных формах в условиях воздействия электрического тока. Обнаружено, что сплав АК12М2МгН более склонен к образованию газовых и усадочных пор, чем сплав АК12. Определены размеры пор в отливках. При кристаллизации сплава АК12М2МгН под действием электрического тока силой 82 А размер пор в среднем уменьшился на 42%. Рассмотрены возможные механизмы уменьшения пористости в отливках при кристаллизации сплавов под действием электрического тока.
Ключевые слова: сплав, кристаллизация, электрический ток, пористость.
ВВЕДЕНИЕ
Вид дефектов, их количество зависят от способа изготовления отливки и от используемого литейного сплава. Одним из распространенных видов дефектов в отливках является пористость. Различают газовую и усадочную пористость. Газовая пористость — это дефект в виде мелких пор, образовавшихся в отливке в результате выделения газов из металла при его затвердевании.
При затвердевании расплава вследствие его усадки возможно образование усадочной пористости, которая может быть рассеяна по всему объему либо локализована в утолщениях и сопряжениях стенок отливки, в зонах местного разогрева, в районе подвода литников, в осевых частях отливки. При усадке различают два вида дефектов: усадочные раковины, которые иногда называют макропористостью, и усадочную пористость, которую относят к микропористости. В широком смысле [1] усадочной
пористостью называют скопление мелких пустот остроугольной формы, образующихся в результате сокращения объема металла при затвердевании в условиях недостаточного питания. Для образования усадочной пористости необходимо наличие в данной зоне отливки связанного скелета твердой фазы, при котором развиваются фильтрационные процессы. Поэтому одной из главных причин возникновения усадочной пористости в отливках является кристаллическое строение металлов и сплавов. Формирование кристаллического строения сопровождается ухудшением фильтрации расплава через сетку растущих дендритов. Следовательно, уменьшение вероятности возникновения пористости в отливках возможно, во-первых, вследствие снижения потерь давления при фильтрации расплава через двухфазную зону, а во-вторых, в результате увеличения внешнего давления на металл. Для улучшения фильтрационных процессов при формировании кристаллической структуры отливок применяют модифицирование, вибрирование, наложение электромагнитных полей, вводят плавящиеся микрохолодильники и частицы тугоплавких соединений, что позволяет получить мелкозернистую кристаллическую структуру сплава и, как следствие, уменьшить пористость.
В настоящее время для каждой группы сплавов используется свой критерий пористости (КП). В работе [2] проведен анализ существующих КП для отливок из различ-
1 svtimchenko@yandex.ru.
ных сплавов (сталь, чугун, алюминиевые, медные сплавы), который показал, что существующие КП — аналоги критериев, связанных с видом кристаллической структуры. Для алюминиевых сплавов это критерий пористости, предложенный в 1966 г. Пивонькой (Piwonka) и Флемингсом (Flemings) [3]. В основе данного КП лежит разность давлений в двухфазной зоне и в жидком расплаве — АР. Также в 1990 г. Ли (Lee),
Чанг (Chang) и Киеу (Chieu) предложили в виде критерия соотношение — Gt1^/vs, здесь G - температурный градиент, Vs - скорость затвердевания, ts - локальное время затвердевания. При моделировании затвердевания отливки в форме часто используется КП Нияма в виде G/yTR [4], где R - скорость охлаждения. Для отливок из алюминиевых сплавов пористость образуется при значениях КП Нияма меньше чем 2700°С1/2 • с1/2 • м-1.
Таким образом, актуальной остается задача по созданию способов управления структурой и свойствами сплавов, выбора литейной формы. Модифицирование в условиях пропускания через расплав электрического тока, наложения электромагнитных полей, ультразвукового воздействия обусловливают изменение кристаллической структуры отливок и, как следствие, уменьшают пористость.
В работах [5-7] выявлено влияние электрического тока и магнитного поля на свойства алюминиевых сплавов. При этом применение дополнительного энергетического воздействия приводит к улучшению свойств материала, а именно увеличивается прочность, твердость, уменьшается содержание газов. Данные улучшения физических свойств материала связаны с положительной динамикой изменения параметров структуры. В эвтектических сплавах наблюдается измельчение, диспергирование эвтектики.
Влияние электрического тока на структуру проявляется не только для алюминиевых сплавов, но и для чугунов. Например, модифицирование серого чугуна пульсирующим электрическим током силой 8 А при напряжении на электродах 1.3 В и с коэффициентом пульсации 1.5 привело не только к увеличению твердости, но и к возрастанию плотности. В процентном отношении повышение плотности серого чугуна, измеренное при 1300°С методом проникающего излучения, составило 0.66% [8].
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Проведено исследование пористости алюминиевого сплава, кристаллизация которого происходила в условиях воздействия электрического тока.
С этой целью использовали способ управления процессом формирования фасонных отливок, основанный на применении электрического тока в процессе кристаллизации сплава [5]. Способ включает заливку металла в неметаллическую форму, пропускание электрического тока через расплав в процессе нахождения отливки в жидком, твердожидком состояниях и до окончания процесса кристаллизации. Электрический ток пропускают непосредственно по расплаву в процессе заполнения им формы за счет последовательного расположения контактов по отливке.
В качестве материала отливки использовали алюминиевые сплавы АК12 (10-13% Si; Mg < 0.1%, Cu < 0.6%, Mn < 0.5%, Ti < 0.1%, Fe < 1.5%, Zn < 0.3%, Zr < 0.1%) и АК12М2МгН (11-13% Si, 1.5-3% Cu, 0.8-1.3% Mg, 0.8-1.3% Ni, 0.3-0.6% Mn, 0.050.2% Ti, Fe < 0.8%, Zn < 0.5%, прочие примеси <0.2%). Наряду с повышенной жидко-текучестью, небольшой литейной усадкой и пониженной склонностью к образованию горячих трещин, литейные алюминиевые сплавы обладают высокой склонностью к окислению, насыщению водородом, что приводит к таким видам брака отливок, как газовая пористость, наличие шлаковых и оксидных включений. Именно повышенной активностью алюминия объясняется склонность алюминиевых сплавов к взаимодействию с газами. При получении отливок литьем в песчаную форму конденсированные на поверхности газы, азот, кислород, углерод и его оксиды при высоких температурах проникают в материал отливки. Особенно пораженной газовой пористостью в данном
У
случае является поверхностный слой отливки. Образование газовых пор возможно и за счет присутствия в алюминиевом расплаве нерастворенных пузырьков газа. В данном случае таким газом служит азот, который может попадать в расплав при замешивании воздуха. Также кислород, попавший из воздуха в толщу металла, начинает взаимодействовать с алюминием, образуя оксид А1203. Оставшийся азот, адсорбированный на поверхности оксида или заключенный между пленами оксида, начинает расширяться под действием тепла, образуя пору, в которую может диффундировать растворенный водород.
Экспериментальная установка [5], позволяла пропускать постоянный и импульсный электрический ток в процессе кристаллизации металла. Форма образцов, а также подвод электрического воздействия представлен на рис. 1.
Отливки получали литьем в песчаные формы (ПФ). Данный способ предопределяет возможность возникновения повышенной пористости, в частности газовой и усадочной пористости. Электрический ток пропускали через отливку при ее кристаллиза-
ции, вплоть до полного затвердевания и охлаждения. Температура заливки расплава в форму составляла 770—800°С. Температура формы — 20°С. Электрический ток пропускали вдоль оси отливки (рис. 1). Применяли воздействие постоянным электрическим током силой I = 66 и 140 А, а также импульсным током с силой тока в импульсе I = 82 А и с длительностью импульса т = 0.2 с.
Для измерения плотности сплава и определения его пористости изготовили образцы из тех же сечений, что и для исследования параметров микроструктуры сплава.
По определению пористостью принято называть относительное изменение плотности материала по отношению к плотности эталона:
П = Рэт -Рт • 100%. (1)
рэт
Плотность измерялась методом гидростатического взвешивания на двухчашечных весах с равноплечим коромыслом и механическим гиреналожением на неполную нагрузку. Использовали весы марки ВЛР-200, принцип действия которых основан на уравнивании моментов сил, создаваемых соответственно измеряемым грузом и встроенными, накладными гирями. Предел допускаемой погрешности 0.05 мг; цена деления 0.05 мг. При диапазоне взвешивания по шкале 0—100 мг, погрешность взвешивания составила ±0.15 мг. При взвешивании в жидкости использовали дистиллированную воду плотностью 1 г/см3. Согласно методике определения плотности, образец взвешивали на воздухе и определяли его массу т, а затем в жидкости — т2. Далее вычисляли плотность по формуле
Р = Р ж;-Ц-. (2)
1 - т2/т
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Проведены измерения параметров микроструктуры сплавов. Показательные сечения, выбранные для исследования параметров микроструктуры сплава (рис. 1), имели площадь 8а_а = 287 мм2 и 8В_В = 10.5 мм2.
Форма образца и литниково-питающая система сводили к минимуму возможность недостаточного питания частей отливки и возникновение затрудненной усадки отливки. Был проведен оценочный расчет с использованием критерия Нияма, согласно которому для сечения А—А о/уТК « 1118°С1/2 • с1/2 • м-1, а для сечения В—В составляет «7453°С1/2 • с1/2 • м-1. Следовательно, для сечения А—А наряду с газовой пористостью характерна и усадочная пористость, а для сечения В—В — газовая.
Микроструктура сплава АК12 для отливок, кристаллизация которых происходила в ПФ без воздействия электрического тока, представлена на рис. 2а), а с пропускан
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.