научная статья по теме ВЛИЯНИЕ СОДЕРЖАНИЯ СВИНЦА, ДЛИТЕЛЬНОСТИ И ТЕМПЕРАТУРЫ НИЗКОЧАСТОТНОЙ ОБРАБОТКИ РАСПЛАВОВ СИСТЕМЫ А1—РЬ НА РАЗМЕР СВИНЦОВЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ В ИХ СПЛАВАХ Физика

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ СОДЕРЖАНИЯ СВИНЦА, ДЛИТЕЛЬНОСТИ И ТЕМПЕРАТУРЫ НИЗКОЧАСТОТНОЙ ОБРАБОТКИ РАСПЛАВОВ СИСТЕМЫ А1—РЬ НА РАЗМЕР СВИНЦОВЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ В ИХ СПЛАВАХ»

РАСПЛАВ Ы

1 • 20141

УДК 669.330.3:669.342.4

© 2014 г. И. Э. Игнатьев1, А. В. Долматов, Е. В. Игнатьева, Э. А. Пастухов

ВЛИЯНИЕ СОДЕРЖАНИЯ СВИНЦА, ДЛИТЕЛЬНОСТИ И ТЕМПЕРАТУРЫ

НИЗКОЧАСТОТНОЙ ОБРАБОТКИ РАСПЛАВОВ СИСТЕМЫ А1-РЬ НА РАЗМЕР СВИНЦОВЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ В ИХ СПЛАВАХ

Построена прогностическая зависимость размера свинцовых включений в сплаве алюминия от трех параметров: долевого содержания свинца, температуры 1 длительности обработки низкочастотными колебаниями расплава алюминия с 10—30 мас. % РЬ. Даны технологические рекомендации для получения А1—РЬ сплавов со средним размером свинцовых частиц менее 20 мкм.

Ключевые слова: расплав, А1—РЬ, низкочастотная обработка композиты, несме-шивающиеся сплавы, размер частиц.

Низкочастотная обработка расплава посредством поршня при определенных геометрических и амплитудно-частотных параметрах [1, 2] может обеспечивать турбулентное перемешивание всего объема расплава и в дальнейшем создавать условия для равномерного распределения композиционных добавок по слитку [3—6]. Кроме того, этот метод подходит для обработки расслаивающихся эмульсий и несмешивающихся сплавов, таких, например, как А1—РЬ. Поэтому способ низкочастотной обработки использован нами для получения антифрикционного композиционного материала системы А1—РЬ [7, 8]. Одной из важных характеристик такого композита является размер частиц свинца в алюминиевой матрице: чем мельче частица, тем более однородный сплав можно получить, обеспечивая лучшую смазку трущихся деталей при сохранении достаточной прочности.

Ранее [9] низкочастотной обработкой расплава с амплитудой хода поршня 1 — 1.2 мм при частоте 50 Гц, нам удалось получить сплав системы А1—10% РЬ (здесь и далее содержание РЬ приведено в мас. %) с равномерным распределением свинцовых частиц по высоте слитка. Математическая обработка результатов измерений размеров свинцовых включений выявила зависимости их среднего размера в сплаве А1—10 РЬ от температуры (в диапазоне 700—1060°С) и времени низкочастотной обработки (в диапазоне 2—10 мин). Было обнаружено, что продолжительность обработки более 2 мин увеличивает размер свинцовых частиц в алюминиевой матрице, а повышение температуры уменьшает этот размер согласно формуле

й = -12.221 + 5.663 г + 23439 28 5, (1)

где d — средний размер частиц свинца, t — продолжительность низкочастотной обработки (2—10 мин), T — температура обработки (700—1060°С).

Повышение температуры выше 900° вызывает появление в слитке газовых пор, что недопустимо. А при слишком малой длительности обработки (менее 1—1.5 мин) может не обеспечиться равномерность распределения свинца по расплаву. Очевидно также, что справедливость формулы (1) будет нарушена, если изменить амплитудно-частотные параметры обработки или процентное содержание свинца. С целью по-

1igx2@mai1.ru.

Рис. 1. Включения свинца в алюминиевой матрице (20 мас. % РЬ): виброобработка при 860°С, х100.

строения более общей зависимости, учитывающей хотя бы еще одну характеристику, а именно содержание в расплаве свинца, проведены эксперименты по получению композита А1—20 РЬ при тех же амплитуде и частоте, той же длительности обработки (2, 5 и 10 мин) и тех же температурах (700, 860 и 1060°С). Структура композита А1— 20 РЬ при 860° и вибровоздействии в течение 2 мин представлена на рис. 1. Видно, что частиц больше и они примерно такого же размера (25—45 мкм), что и в сплаве А1—10 РЬ при тех же условиях. На остальных образцах структуры сплавов А1—20 РЬ и А1—10 РЬ отличаются подобным образом, хотя имеется некоторое увеличение усредненного размера частиц свинца в сплаве А1—20 РЬ на 5—15 мкм.

Для построения прогностической зависимости размера свинцовых включений от трех параметров: долевого содержания свинца в сплаве п, температуры Ти длительности ? обработки НЧК — сначала, базируясь на 6 точках, где п = 0.1, 0.2 и ? = 2, 5, 10 мин, аппроксимировали с1 как функцию от п и ? при температуре 860°С (рис. 2):

й = 8.536 + 5.964? + 0.7667п. (2)

Сложив уравнения (1) и (2) и поделив пополам, получили искомую прогностическую функцию

й = -1.8425 + 5.6135? + 0.3834 п + 1 17 192642. (3)

Проверили формулу (3) на прогностическую способность при наборе параметров п = 0.2, Т = 700°, Т = 1060°, ? = 2, 5, 10 мин, и получили максимальное отклонение в точке (п = 0.2, Т = 1060°, ? = 10 мин), равное 3 мкм или 3.53% (в пределах ошибки эксперимента). Т.е. формула (3) работает хорошо, и целесообразно попытаться использовать ее для экстраполяции в сторону изменения содержания свинца.

Для оценки экстраполяционной возможности формулы (3) повторили эксперименты при тех же температурах, частоте и амплитуде вибровоздействия на расплаве алюминия с содержанием свинца 35%. Длительность обработки составляла ? = 2, 3, 5, 10 мин.

После 10-минутной обработки при всех трех температурах 700, 860 и 1060°С с быстрым последующим охлаждением в верхней части слитков наблюдается мелкая взвесь свинца, в нижней части свинец собран плотным слоем. Т.е. результат неудовлетворительный. Ту же самую картину, отличающуюся только большей толщиной верхней ча-

Рис. 2. Размер свинцовых частиц d (мкм) в алюминиевых сплавах с 10 и 20 мас. % РЬ как функция длительности t (мин) виброобработки и долевого содержания свинца п.

^ '■ ** • ' V Ч,; • "" •- .»г Л • ш

■ • А * - * - *

». -«■ > г* ■ . - -

200 мкм

-Л*.- ' ' • -1

Рис. 3. Распределение свинца в верхней части матрицы алюминия после виброобработки при 860°С длительностью 5 мин при содержании 35 мас. % РЬ.

сти слитка, получили при виброобработке в течение 5 мин при 700 и 860° (рис. 3). При 1060° высота слоя свинца на дне составляла менее 8% от высоты слитка.

После обработки в течение 3 мин небольшое по высоте скопление свинца на дне слитка получили только при 700°. В слитках, соответствующих 860 и 1060°, свинцово-

2 Расплавы, № 1

го осадка не обнаружено. Причем в серии экспериментов с 3-минутной обработкой наибольшее расхождение с формулой (3) (~10% в сторону увеличения размера частиц) наблюдалось на этом же образце в слоях, примыкающих к осадочному слою свинца. После 2-минутной виброобработки свинцового осадка не наблюдалось. Средние размеры включений свинца во всех трех образцах отклонялись от значений формулы (3) не более, чем на 7%.

Т.е. для виброобработки в течение 2 и 3 мин соответствие экспериментальных данных с экстраполяцией формулы (3) можно считать удовлетворительными. Однако размер свинцовых включений 20—30 микрон довольно крупный, а нам хотелось достичь размера в 5—10 микрон. Из результатов экспериментов следует, что для стабильного получения сплава системы А1—РЬ с равномерным распределением свинцовых включений по слитку и содержанием свинца до 35% длительность виброобработки следует ограничить 2 мин при температуре 800—900° с охлаждением не более 30 с до кристаллизации. Из формулы (3) следует, что для большего измельчения свинцовой компоненты необходимо сократить время виброобработки и увеличить ее интенсивность.

ВЫВОДЫ

1. Низкочастотной обработкой расплавов получены сплавы (мас. %) А1—10 РЬ, А1—20 РЬ и А1—35 РЬ, в которых свинцовые частицы размером 20—60 мкм равномерно распределены по слитку.

2. Построена прогностическая функция (3), удовлетворительно оценивающая размер свинцовых включений в алюминиевой матрице в зависимости от параметров обработки, задаваемых в диапазоне: содержание свинца в сплаве 10—35%, температуры 700—1060°С и времени обработки 2—3 мин. При содержании свинца 10—20% функция (3) удовлетворительно работает и при продолжительности обработки до 10 мин.

3. Для получения А1—РЬ сплавов со средним размером свинцовых частиц менее 20 мкм требуется низкочастотная обработка расплава с интенсивностью большей, чем задается амплитудой хода поршня 1 мм и частотой 50 Гц, при температуре 800—900°С в течение не более 2 мин с быстрым последующим охлаждением до кристаллизации (желательно не более 30 с).

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП "Урал-М" при финансовой поддержке МДП ИМЕТ и ФТИ УрО РАН № 12-М-23-2043.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Игнатьев И.В., Киселев А.В., Долматов А.В., Концевой Ю.В., Пастухов Э.А., Игнатьева Е.В., Попова Э.А., Бодрова Л.Е. Математическое моделирование движения жидкости в цилиндре, возбуждаемое поршнем-вибратором. — Расплавы, 2005, № 6, с. 3-11.

2. Игнатьев И.Э., Концевой Ю.В., Игнатьева Е.В., Пастухов Э.А. Условия обеспечения турбулентного перемешивания расплавов при их вибрационной обработке. - Расплавы, 2007, № 2, с. 19-27.

3. Игнатьев И.Э., Концевой Ю.В, Игнатьева Е.В., Пастухов Э.А. Условия вовлечения в турбулентный поток тяжелых труднорастворимых частиц при вибрационной обработке расплава. - Расплавы, 2007, № 6, с. 3-9.

4. Игнатьев И.Э., Пастухов Э.А., Игнатьева Е.В., Долматов А.В. Эффективность низкочастотной обработки расплава при наличии в нем агломерированных порошковых добавок. — Расплавы, 2011, № 2, с. 3-9.

5. Игнатьев И.Э., Концевой Ю.В., Игнатьева Е.В., Долматов А.В., Пастухов Э.А. Условия обеспечения турбулентного перемешивания расплавов при их вибрационной обработке низкочастотными колебаниями тигля. - Расплавы, 2010, № 5, с. 3-9.

6. Бодрова Л.Е., Попова Э.А., Пастухов Э.А., Долматов А.В., Григорьева Т. Ф ., Петрова С.А., Захаров Р.Г. Получение литых композицион-

ных материалов Cu—Cr3C2 при воздействии на расплавы низкочастотными колебаниями. — Расплавы, 2008, № 2, с. 3-11.

7. Игнатьев И.Э., Концевой Ю.В., Пастухов Э.А., Игнатьева Е.В. Способ и устройство низкочастотной обработки расплавов. — Металлург, 2011, № 5, с. 53-56.

8. Antsiferov V.N., Oglezneva S.A. Development Prospects for powder metallurgical Gear Wheels Production / Asta universitatis pontica euxinus: Сб. статей. — Болгария, Варна, 2005, т. 4, № 1.

9. Игнатьев И.Э., Долматов А.В., Попова Э.А., Бодрова Л.Е., Пастухов Э.А. Зависимость размера свинцовых включений в сплаве Al—10% Pb от температуры и длительности низкочастотной обработки расплава. — Расплавы, 2013, № 0, с. 00—00.

Институт металлургии УрО РАН Поступила в редакцию

Екатеринбург 10 июня 2013 г.

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.

Показать целиком