РАСПЛАВЫ
2 • 2008
УДК 669.88-17
© 2008 г. Г. Г. Крушенко
МОДИФИЦИРОВАНИЕ ДОЭВТЕКТИЧЕСКИХ АЛЮМИНИЕВО-КРЕМНИЕВЫХ СПЛАВОВ НИКЕЛЕМ
Приведены результаты экспериментальных исследований механических свойств алюминиево-кремниевых сплавов, таких как временное сопротивление разрыву, относительное удлинение, твердость после их модифицирования никелем. Проведен обширный анализ имеющихся в литературе данных по улучшению механических свойств сплава силумина при обработке его натрийсодержащим флюсом.
История применения литейных алюминиево-кремниевых сплавов (силуминов) для получения литых деталей, используемых в различных механизмах и машинах, включая силовые агрегаты, насчитывает десятки лет. Эти сплавы делятся на два класса - доэвтектические (содержат до 11.6% Si) и заэвтектические (свыше 11.6% Si). Основой структуры силуминов являются эвтектика, и ее строение оказывает решающее влияние на прочность силуминов и их свойства в литом состоянии. Эвтектика силуминов, как правило, имеет грубоигольчатое строение. Сплавы с такой структурой, вследствие большой хрупкости кремния, характеризуются невысокими механическими свойствами.
Доэвтектические силумины нашли широкое применение в технике начиная с 1921 г., после того как сотрудник General Electric Co А. Paсz в процессе работы над алюмини-ево-кремниевым сплавом для ламп накаливания установил, что их механические свойства могут быть повышены в результате измельчения структуры (модифицирования) путем присадки к расплаву малого количества фтористого натрия [1].
Проводились исследования по модифицированию силуминов различными средствами (стронций, сера, фосфор, комбинации различных солей), и были получены положительные результаты. Однако в практике литейных цехов в настоящее время модифицирование этих сплавов в основном производят флюсами, содержащими соли натрия.
Существуют различные теории для объяснения явлений, происходящих при обработке сплавов натрием, такие, например, как теория переохлаждения, коллоидная теория, адсорбционная теория, теория образования сплавов, теория образования тройной эвтектики и др. Но, несмотря на многочисленные исследования процесса модифицирования силуминов различными средствами, нет единого мнения о механизме их воздействия на формирование кристаллической структуры отливок.
Ситуация с теорией модифицирования усложняется еще и в связи с тем, что измельчение структурных составляющих доэвтектических силуминов может быть достигнуто и без использования для этой цели натрия и других модифицирующих добавок, в частности - в результате высокой скорости кристаллизации сплава [2], применения силумина высокой частоты при литье в кокиль [3] и многократного переплава [4], или же при использовании шихты, прошедшей предварительную деформацию (ковка, прокатка, обработка взрывом), ультразвуковую или термическую обработку, подвергнутой жесткому рентгеновскому облучению [5], а также вследствие высокого перегрева расплава выше ликвидуса с последующей быстрой кристаллизацией в литейной форме [6], быстрого охлаждения расплава в процессе литья [7], в резуль-
Влияние модифицирующего элемента на механические свойства сплава АК 12
Заливка после окончания модифицирования, мин Временное сопротивление Ов, МПа Прирост, % Относительное удлинение 5, % Прирост, % Твердость НВ, МПа Прирост, %
Na* Ni* Na Ni Na Ni
0 201 220 9.40 6.80 9.70 1.42 642 692 7.79
30 198 223 12.60 4.92 9.60 1.95 636 695 9.28
60 173 220 27.16 3.65 9.76 2.67 639 688 7.69
120 165 222 34.54 2.60 9.65 3.71 630 695 10.30
* Na и Ni - вид модификатора.
тате введения в расплав серы, фосфора или их смеси [8], а также при введении в расплав нанопорошков (ультрадисперсных порошков) химических соединений [9].
Выводы всех авторов сходятся на том, что основной причиной получения модифицированной структуры является механическое пресечение и ограничение роста кристаллов кремния при использовании любых средств и методов.
Обычно алюминиево-кремниевые сплавы доэвтектического состава с целью измельчения структуры и, как результат, повышения уровня механических свойств получаемых из них литых изделий подвергают обработке модифицирующим флюсом, чаще всего состава, содержащего 25.0% NaF + 12.5% KCl + 62.5% NaCl [10]. При этом порошкообразный флюс (1.5-2.0 % от массы металла) засыпают на зеркало расплава, выдерживают его под слоем флюса до 15 мин, после чего флюс замешивают в металл, затем снимают с его поверхности продукты взаимодействия расплава с солями и только после этого производят заливку. Собственно модифицирующим эффектом в этой композиции обладает натрий, роль которого, согласно большинству предложенных механизмов, заключается в блокировании роста эвтектического кремния.
К недостаткам этого способа относятся: достаточно краткосрочная длительность сохранения эффекта модифицирования (обычно не больше 30 мин.) вследствие потерь натрия от окисления и, как результат, снижение уровня механических свойств сплава в литых деталях (причем они понижаются с увеличением длительности разбора металла), преждевременный выход из строя тиглей или футеровки печи в результате разъедания солями и появление в отливках газовых дефектов вследствие внесения в расплав влаги гигроскопичными солями.
С целью предотвращения негативных последствий обработки алюминиево-крем-ниевых сплавов солевыми флюсами был разработан способ модифицирования путем введения в расплав лигатуры алюминий-никель эвтектического состава (Al-6.4% Ni), температура плавления которой составляет 640°С.
Исследование проведено на широко распространенном алюминиево-кремниевом сплаве АК12 (по ГОСТу 1583-93: 10 - 13.0 мас. % Si, остальное - Al; механические свойства без термической обработки (не производят в связи с отсутствием в сплаве упрочняющих фаз): временное сопротивление разрыву ов > 150 МПа; относительное удлинение 5 > 4.0%; твердость по Бринеллю НВ > 500 МПа ). Сплав готовили путем переплава исходного чушкового силумина в индукционной печи типа МГП52А по стандартной технологии в графито-шамотовом тигле. После доведения температуры расплава до 750°С в равных частях переливали его в графито-шамотовые тигли, установленные в двух электрических печах сопротивления, в одной из которых расплав обрабатывали стандартным флюсом (25.0% NaF + 12.5% KCl + 62.5% NaCl), в другой - в него вводили лигатуру Al-6.4% Ni с тем расчетом, чтобы содержание никеля в сплаве
Модифицирование доэвтектических алюминиево-кремниевых сплавов
79
не превышало 0.05 мас. %. Из модифицированных двумя видами модификаторов сплавов в течение 120 мин через каждые 30 мин производили заливку деталей в кокиль, подогретый до 100°С. Следует отметить, что при модифицировании флюсом предельное время разливки сплава не должно превышать 30 мин, после чего эффект воздействия натрия резко падает.
После затвердевания деталей из них вырезали образцы для испытания механических свойств. Результаты испытаний показали (см. таблицу), что по мере увеличения времени от окончания обработки расплава флюсом до заливки деталей механические свойства непрерывно уменьшаются: временное сопротивление разрыву ов - от 201 до 165 МПа (соответственно непосредственно после обработки и через 120 мин после нее), относительное удлинение 5 - соответственно от 6.80 до 2.60% и твердость HB - соответственно от 642 до 630 МПа.
В то же время механические свойства сплава, обработанного лигатурой Al-6.4% Ni, по мере разливки практически не изменяются. Так, если ов сплава, залитого непосредственно после введения никеля, составляет 220 МПа, то при заливке через 120 мин его величина равна 222 МПа, соответственно 5 - 9.70 и 9.65% и HB - 692 и 695 МПа.
При этом как при обработке расплава натрийсодержащим флюсом, так и в результате введения никеля во всех случаях механические свойства сплава превышают требования ГОСТа 1583-93.
Изучение микроструктуры сплавов показало, что в результате введения никеля дендриты a-твердого раствора имеют меньшие размеры и их ветви сформированы более закономерно, а кремниевая фаза эвтектики диспергирована в большей степени, чем при модифицировании натрийсодержащим флюсом.
По-видимому, ответственными за возникновение модифицирующего эффекта при введении никеля могут являться образующиеся при кристаллизации следующие фазы NiAl, Ni3Al, Ni2Al3, NiAl3 [11].
Таким образом, в результате введения никеля в литейный алюминиево-кремние-вый сплав АК12 уровень механических свойств получаемых из него отлитых в кокиль деталей выше, чем при общепринятом модифицировании натрийсодержащим флюсом. При этом эффект модифицирования сохраняется значительно дольше.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Расг А. U.S. Patent < 1387900, 1921 и British Patent < 158827, 1921.
2. Archer R.S., Kempf L.W. Modification and properties of sand-cast aluminium - silicon alloys. -Trans. American Institute of Metals, 1926, 37, p. 453-462.
3. Gayler M.L.V. The under-cooling of some aluminium alloys. - J. Institute Metals, 1927, 38, < 2, p. 157-194.
4. Крушенко Г.Г., Никитин В.И. Влияние шихты на эффект модифицирования доэвтектических силуминов. - Литейное производство, 1972, < 11, с. 28-29.
5. Крушенко Г.Г. Доэвтектические сплавы системы Al-Si, приготовленные на шихте, обработанной физическими методами. - Литейное производство, 1983, < 8, с. 10-11.
6. Спасский А.Г., Рогожин В.В. К вопросу о модифицировании силумина. - Юбилейный сб. научных тр. МИЦМиЗ, 1930-1940, с. 566-569.
7.КрушенкоГ.Г. Литье заэвтектических силуминов через жидкий азот. - Литейное производство, 2002, < 11, с. 33.
8.БелоусовН.Н. Современные направления работ по модифицированию алюминиевых сплавов. - В кн.: Модифицирование силуминов. - Киев: АН УССР, 1970, с. 20-52.
9. Сабуров В.П., Черепанов А.Н., Крушенко Г.Г. и др. Плазмохимический синтез ультрадисперсных порошков и их применение для модифицирования металлов и сплавов. -Новосибирск: Наука, 1995. - 344 с.
10. Строганов Г.Б., Ротенберг В.А., Гершман Г.Б. Сплавы алюминия с кремнием. -М.: Металлургия, 1977. - 272 с.
11. Корнилов И.И., Матвеева Н.М., Пряхина Л.И., Полякова Р.С. Металло-химические свойства элементов периодической систе
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.