научная статья по теме ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ СИЛУМИНОВ ВОЗДЕЙСТВИЕМ НА ИХ РАСПЛАВЫ АКУСТИЧЕСКОЙ КАВИТАЦИЕЙ И ЖИДКИМИ СОЛЯМИ Физика

Текст научной статьи на тему «ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ СИЛУМИНОВ ВОЗДЕЙСТВИЕМ НА ИХ РАСПЛАВЫ АКУСТИЧЕСКОЙ КАВИТАЦИЕЙ И ЖИДКИМИ СОЛЯМИ»

РАСПЛАВЫ

4 • 2004

УДК 669.715-154:534.29

© 2004 г. Л. Е. Бодрова, Э. А. Попова, Н. А. Ватолин, Э. А. Пастухов, А. В. Киселев, Н. М. Барбин, Г. Ф. Казанцев

ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ СИЛУМИНОВ ВОЗДЕЙСТВИЕМ НА ИХ РАСПЛАВЫ АКУСТИЧЕСКОЙ КАВИТАЦИЕЙ И ЖИДКИМИ СОЛЯМИ

Показана возможность улучшения макро- и микроструктуры литых силуминов заэвтектического и околоэвтектического составов путем воздействия на их расплавы упругими колебаниями низкой частоты в режиме кавитации и жидкими галоидными солями при одновременном и последовательном их применении.

В работе [1] показана принципиальная возможность модифицирования сплавов Al-Si путем воздействия на их расплавы упругими колебаниями низкой частоты в режиме кавитации.

В настоящей работе представлены результаты по улучшению макро- и микроструктуры заэвтектических и эвтектических силуминов воздействием акустической кавитацией и солевым расплавом галоидных солей (KCl-NaCl эвтектического состава и 15 (мас. %) NaF) [2]. Исследованы промышленные сплавы АК12 (11.3 мас. % Si) и АЛ9 (6.8 мас. % Si), а также сплавы Al-Si (11 и 25 мас. %), при синтезе которых был использован гранулированный алюминий и кремний марок Кр-00 и Кр-1 (Ti-0.15; Ca-0.17; Fe-0.63; Al-0.5 мас. %). Влияние солевого расплава изучено как при одновременном воздействии акустической кавитации на расплавы металла и соли, так и при выдержке предварительно обработанного металла под слоем расплавленного флюса. Одновременное воздействие жидких солей и кавитирования на расплавы силумина проводили с целью повышения степени его контакта с расплавом силумина и сокращения времени их обработки при высоких температурах.

Структуру обработанного литого металла сравнивали со структурой сплава, полученного при тех же термо-временных условиях плавки, но без физико-химических воздействий на расплав. Соотношение фазовых составляющих и их дисперсность определяются обычно степенью модифицирования расплава и скоростью его охлаждения. В наших опытах скорость затвердевания всех сплавов была одинаковой и составляла ~10 К/с. Силумины обрабатывали как в жидкой, так и в жидко-твердой областях в течение 5 мин. Интегральные параметры структуры литого металла определяли с использованием компьютерной методики анализа изображений SIAMS 600.

Заэвтектические силумины. Обработку разными способами расплавов Al-25 мас. % Si проводили при небольших перегревах выше ликвидуса и в жидко-твердой области. Структура литых сплавов представлена кристаллами первичного кремния и тонко дифференцированной эвтектикой. Морфология и объемные доли фаз зависят от способа обработки расплава.

В сплаве Al-25 мас. % Si без кавитационной обработки и не содержащем модифицирующих добавок первичный кремний кристаллизуется в основном в виде крупных розеток, длинных призм и их агломератов. Линейные размеры P-Si находятся в пределах от 1.5 до 50 мкм с преобладанием более крупных образований. После кавитацион-ного воздействия на расплав в жидко-твердой области морфология частиц кремния не изменяется, а их размеры уменьшаются в несколько раз (рис. 1а, б).

В сплаве, модифицированном титаном и содержащем примеси Fe и Ca, после кави-тационного воздействия увеличивается разнообразие форм кристаллов первичного

шйш

200 мкм

ф О •. > I_I ^

(а)

Ш

'ХщЖ-ъ ЪШШ

^ 200 мкм

^¿¡ЯЗТОЛ ^Ж-.:'.: шжя]

щ

(д)

< " V

200 мкм

(й- щ

(б)

$1 -' ■

Р " - С- . V "О Ш

' С

рш

й е

.'е-с.

* V' 0 С.

■ 200мкм

" кнн

(г) ■.

мш® ШИШ

^ ' с. с,

200 мкм

Рис. 1. Микроструктура сплавов А1-25 мас. % 81 без обработки (а, в), после кавитацион-ной обработки расплава (•, г) и после одновременной обработки кавитацией и модифицирования жидкими солями (д).

Сплавы: а, б - без модифицирующих примесей; в, г, д - содержащие Т1, Са, Бе.

кремния, размеры их становятся значительно меньше, чем в немодифицированном сплаве, длинные призмы отсутствуют (рис. 1е). В работе [3] показано, что причиной разнообразия структурных типов первичного кремния является наследование морфологии от кристаллов промежуточных метастабильных фаз, имеющих температуру кристаллизации, намного превышающую стабильный ликвидус.

После кавитационного воздействия на расплавы в интервале температур на 90° выше и 20° ниже линии ликвидуса кристаллы кремния, как и в предыдущем сплаве, измельчаются в несколько раз. При этом преобладающей формой становятся ограненные и близкие по размерам полиэдры (рис. 1г).

Риг 2 Микроструктура околоэвтектических силуминов А1-11 мае. % Si (я, б), АК 12 (в-д) AJI 9 (е-з) без об-^ïï^œïï^— обработки?*, г, Ж,, после выдержки расплава под флюсом (0) и после

одновременной обработки кавитацией и жидкими солями (з).

Таким образом, акустическая кавитация оказывает модифицирующий эффект при формировании активных зародышей первичной P-фазы и диспергирующий эффект в процессе ее роста в жидко-твердой области.

Увеличение числа центров кристаллизации при кавитации, на наш взгляд, сводится к диспергированию крупных частиц и к изменению условий смачивания субмикроскопических твердых примесей. Полученные нами результаты по измельчению первичного кремния при воздействии на расплав упругими низкочастотными колебаниями в режиме кавитации аналогичны описанным в работе [4] по ультразвуковой кавитационной обработке заэвтектических силуминов, однако по изменению морфологии кристаллов кремния дают больший эффект, а именно - приближают их форму к сферической (рис. 1г). Причиной этого являются более высокий температурный интервал кавитаци-онного воздействия на расплав и, как следствие, усреднение состава кремнистых микрогруппировок с сохранением в расплаве наиболее стабильной промежуточной фазы, на основе которой кристаллизуется наблюдаемый нами P-Si [3].

Совместное влияние на расплав силумина акустической кавитации и модифицирования жидкими солями также приводит к измельчению кристаллов первичной фазы, однако наблюдается разброс их размеров в 2-3 раза от среднего размера частиц кремния в сплаве, обработанном без солей (рис. 1д).

Околоэвтектические силумины. Фазовый состав их представлен обычно первичной a-фазой и эвтектикой с различной степенью дисперсности. Кавитационная обработка расплава Al-Si (11 мас. %) при перегреве 200° над ликвидусом, несмотря на отсутствие в расплаве модифицирующих элементов, приводит к заметному измельчению a-фазы, росту количества эвтектики на ~30% (рис. 2а, б), измельчению макроструктуры. На промышленные околоэвтектические силумины кавитационная обработка оказывает различное влияние. Сплав АК12 имеет эвтектический состав, однако в неравновесных условиях кристаллизуется с образованием ~30% первичной a-фазы в виде длинных дендритов и вырожденной эвтектики (рис. 2е). В результате изменения состояния расплава после кавитационной обработки количество первичной фазы уменьшается до ~20%, снижается направленность дендритов (рис. 2г).

После выдержки обработанного расплава под слоем жидкого рафинирующего флюса в течение 40 мин содержание эвтектики в литом сплаве еще более возросло, а ветви дендритов a-фазы стали короче и толще (рис. 2д). Отметим, что любая из обработок снижает рассеянную пористость сплава, причем в сплаве после кавитационной обработки и выдержки под флюсом пористость практически отсутствует.

Доэвтектический силумин АЛ9 имеет б0льший температурный интервал кристаллизации, чем АК12, в его структуре преобладает a-фаза (рис. 2е). Кавитирование его расплава приводит к сильному измельчению дендритов a-фазы (рис. 2ж), уменьшению разницы в их размерах по сечению слитка. В макроструктуре также происходят позитивные изменения - ширина зоны столбчатых кристаллов уменьшается в 2-3 раза. Одновременная обработка расплава рафинирующим флюсом и акустической кавитацией приводит к полному исчезновению зоны столбчатых кристаллов, получению дендритов той же дисперсности, что и после кавитационной обработки, и некоторому росту содержания эвтектической фазы (рис. 2з).

Таким образом, кавитационное воздействие на расплавы заэвтектического и доэв-тектического составов приводит к измельчению первичных фаз P-Si и a-Al и к росту содержания эвтектической составляющей в доэвтектических сплавах. Дополнительная обработка расплавов силуминов жидкими солями улучшает макроструктуру литого металла, уменьшая рассеянную пористость и способствуя образованию равноосных кристаллов по всему сечению слитка.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 01-03-96504 Урал).

3 Расплавы, № 4

66

Л.Е. Бодрова, Э.А. Попова, Н.А. Ватолин и др.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Попова Э.А., Бодрова Л.Е., Пастухов Э.А., Быков А.С. Влияние температурных условий при обработке расплавов Al-Si упругими колебаниями низкой частоты на структуру литого металла. - Расплавы, 1999, < 5, с. 28-31.

2.К азанцев Г.Ф., Барбин Н.М., Бродова И.Г. и др. Способ модифицирования силуминов. Патент РФ < 2094514 на изобретение, 1997.

3.Мазур А.В., Мазур В.И. Влияние температурной обработки расплава на образование и распад метастабильных фаз при затвердевании заэвтектического силумина. - Расплавы, 1990, < 3, с. 71-79.

4.Д обаткин В.И., Эскин Г.И. Первичная кристаллизация интерметаллических соединений в слитках легких сплавов при ультразвуковой обработке расплава. - В кн.: Металловедение алюминиевых сплавов. - М.: Наука, 1985, с. 163-171.

Институт металлургии УрО РАН Екатеринбург

Поступила в редакцию 15 октября 2003 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