Легирование и модифицирование алюминия и магния. Модифицирование сплавов Мсм смеси модификации алюминиевых сплавов
Алюминий является одним из наиболее широко используемых материалов в производстве взрывозащищенного оборудования.
OOO «ЗАВОД ГОРЭЛТЕХ» (ранее ООО «КОРТЕМ-ГОРЭЛТЕХ») приложил огромные усилия в исследовании алюминиевых сплавов и технологических методов их обработки. Алюминий обладает высокой устойчивостью к коррозии, поэтому известен как наиболее эффективный и универсальный материал во многих областях применения. Он намного легче чугуна, вследствие чего удобнее размещать электрооборудование. Алюминий устойчив к коррозии и не нуждается в защите своей поверхности, в отличие от чугуна, требующего оцинковки и окрашивания. Также алюминий намного дешевле, чем нержавеющая сталь. Механические свойства литых алюминиевых сплавов являются более чем удовлетворительными для обеспечения взрывозащиты электрооборудования.
После долгих лет исследования стало известно, что именно содержание меди в сплаве вызывает коррозию в присутствии электролита.
Алюминиево-магниевые сплавы обладают самой лучшей устойчивостью к коррозии, поэтому их чаще всего используют в кораблестроении. Однако, данные сплавы непригодны для взрывозащищенных коробок или деталей, используемых в потенциально взрывоопасных зонах. Причиной этого является то, что алюминиево-магниевые сплавы вызывают искру при трении о металлические предметы инструменты. Фактически, магний легко воспламеним, и его присутствие в сплаве создает риск, что неприемлемо на взрывоопасных предприятиях с взрывоопасными зонами. Cтандарты по взрывозащите допускают содержание магния в алюминиевых сплавах до 6%. Этот допуск достаточно высок, потому что даже небольшое процентное содержание магния может вызвать искру при трении о поверхность коробки.
В настоящее время OOO «ЗАВОД ГОРЭЛТЕХ» (ранее ООО «КОРТЕМ-ГОРЭЛТЕХ») использует коррозионностойкий модифицированный алюминиево-кремниевый сплав с процентным содержанием кремния от 7% до 14%, в зависимости от технологии литья. Медь присутствует только в качестве примеси и первичные сплавы могут содержать максимум 0,05% меди в слитках и 0,1% в отливке. Железо присутствует только в качестве примеси и первичные сплавы могут содержать максимум 0,15% железа в слитках и 0,4% в отливке. Данные сплавы гарантируют полную защиту от коррозии в любой окружающей среде.
Устойчивость к коррозии
Алюминий и его сплавы характеризуются хорошей устойчивостью к коррозии в различной окружающей среде.Несмотря на то, что алюминий – химически активный металл, он остается устойчивым благодаря образованию защитной оксидной пленки на поверхности. Если эта пленка разрушается, то она мгновенно самовоспроизводится, и ее толщина составляет от 50 до 100 мкм. Пленка становится толще, если она находится в чрезвычайно коррозийной атмосфере или подвергается искусственным методам воздействия, как например, анодирование. При случайных повреждениях поверхности пленка автоматически восстанавливается. Коррозия алюминия и его сплавов вызвана условиями, которые способствуют механическим повреждениям защитной пленки или химическими условиями, которые повреждают определенную область пленки и сокращают количество кислорода, необходимого для самовосстановления пленки. Эта защитная оксидная пленка обычно устойчива в водных растворах с уровнем рН от 4.5 до 8.5 и не разрушается под воздействием кислот и щелочных растворов, таких как азотная кислота, уксусная кислота, силикат натрия или гидроксид аммония.
Как и в случае с другими металлами, явление коррозии связано с прохождением тока между анодной и катодной зонами, то есть с разным потенциалом между зонами. Структура и размер коррозии зависят от различных факторов, таких как структура микрокомпонентов, их локализация и качество. Чистый алюминий обладает самой лучшей устойчивостью к коррозии. Присутствие примесей на поверхности или внутри металла может значительно снизить устойчивость к коррозии.
Алюминиево-кремниевые сплавы
Для литья алюминия обычно используется три вида сплавов:
- Алюминий-Медь
- Алюминий-Магний
- Алюминий-Кремний
Исключая первые два сплава по причинам, упомянутым ранее, перейдем непосредственно к алюминиево-кремниевым сплавам. Данная категория включает алюминиевые сплавы для литья, используемые в различных сферах. Для этих сплавов характерно содержание кремния от 7% до 14%, и они используются без меди, что гарантирует хорошую жидкотекучесть, среднюю механическую устойчивость и устойчивость против коррозии. Добавление небольшого количества магния в сплав для улучшения термообработки приводит к ухудшению его антикоррозионных свойств.
Сплавы Al Si являются одними из лучших сплавов, которые используются при литье алюминия, так как они обладают ценными качествами, необходимыми для литья:
- Довольно высокая механическая устойчивость
- Хорошая ковкость
- Хорошая плотность
- Устойчивость против коррозии
Некоторые данные свойства лишь потенциально содержатся в сплавах Al-Si. Чтобы повысить эффективность данных свойств, необходима специальная обработка.
Модификация алюминиево-кремниевых сплавов
Так же необходимо уделить внимание обработке алюминиевого кремниевого сплава - технологии литья . Ряд компаний в рекламных целях пишут, что используют для изготовления своих изделий литье под давлением и сплав АК12 (AЛ2). Надо заметить, что такой сплав довольно хрупок, если не использовать специальную технологию , иначе изделие получается хрупкое и не может использоваться для взрывобезопасного оборудования. Поэтому OOO «ЗАВОД ГОРЭЛТЕХ» (ранее ООО «КОРТЕМ-ГОРЭЛТЕХ») применяет специальную технологию литья (сложная система охлаждения и газации изделия) получая коррозионностойкий модифицированный алюминиевый сплав, что позволяет использовать изделия в морской среде.
Чтобы правильно понять смысл модификации на физическом и механическом уровнях, достаточно проанализировать разницу структуры на микрографии до и после обработки. Если посмотреть на микрографии, можно увидеть улучшенное качество измененной структуры сплава снизу, в сравнении с грубой структурой неизмененного сплава сверху.
Не модифицированный алюминиевый сплав в изделиях других производителей
Коррозионностойкий модифицированный алюминиево-кремниевый сплав, устойчивый к солевому туману и другим химическим веществам, в том числе устойчивый к парам сероводорода и соляной кислоты, к солевым и кислым рудничным водам, в изделиях OOO «ЗАВОД ГОРЭЛТЕХ» (ранее ООО «КОРТЕМ-ГОРЭЛТЕХ»)
Модификация - изменение наноструктуры сплава
. Особенность данной модификации - получение сплавов без добавления модификаторов и примесей: железа, магния или меди, по специальной технологии литья OOO «ЗАВОД ГОРЭЛТЕХ» (ранее ООО «КОРТЕМ-ГОРЭЛТЕХ»). Позволяет отказаться от нержавеющей стали (кроме марки 03Х17Н13М2 по ГОСТ 5632-72 (AISI 316L))
В неизмененной структуре можно увидеть большие многогранные первичные кремниевые кристаллы в окружении улучшенных, но меньших по размеру игольчатых образований Al-Si эвтектики. На фоне виден грубый матрикс фазы а (твердый раствор Кремния в Алюминии). Структура выглядит неровной, и ее составляющие расположены хаотично. Можно сделать вывод, что большие размеры и острые концы данных образований приводят к непредсказуемым анизотропным характеристикам.
Выбор вида модификации в отливке алюминия остается самым спорным вопросом. Это зависит от ряда причин: от технологии, которую требует данный вид модификации до его воздействия на характеристики литья, также как и от экономических факторов и влияний окружающей среды.
Доэвтектические сплавы с процентным содержанием кремния менее 13% могут изменяться с добавлением точного количества натрия или стронция, они оба улучшают эвтектику. Добавление кальция и сурьмы в некоторых случаях может оказаться очень полезным. В доэвтектических сплавах структура отливки улучшается посредством изменения неэвтектических кремниевых кристаллов и с добавлением фосфора.
Измененная наноструктура не имеет больших кристаллов кремния, в то время как твердая структура представлена в виде дендритов, смешанных в массе мелких эвтектических образований, которые имеют шаровидную форму при увеличении под микроскопом. Следовательно, мы можем прийти к выводу, что обработка модификацией влияет на структуру Al-Si сплава и придает эвтектическим образованиям улучшенную шаровидную структуру.
Существуют так же коррозионно стойкоие алюминиево-кремниевые сплавы с добавлением титана, например GAS 7. Данный тип сплава по механическим свойствам имеет малую чувствительность к влиянию внешних концентраторов напряжений при циклических нагрузках, и высокий коэффициент поглощения колебаний при вибрациях деталей а так же хорошую равномерную теплопроводность.
Алюминиев сплавы, применяемые при производстве электротехнического оборудования
| Изделия из алюминиево-кремниевого сплава, марка вторичного аллюминия |
Содержание примесей, способствующих коррозии, % | Содержание примесей, способствующих возникновению искры, % | ||||
| АК9 (сплав) | 1 0,5 0,8 0,5 0,45||||||
| АК7 (сплав) | 1,5 0,6 1 0,5 0,55||||||
| АК12(АЛ2) (сплав) | 0,6 0,5 0,7 0,3 0,1||||||
| AlSi12 (сплав) | 0,1 | 0,55 | 1,3 | 0,15 | 0,1 | |
| EN AC - AlSi12(Fe) (сплав) | 0,1 0,55 1,0 0,15 0,1||||||
| AlSi9MnMg (сплав) | 0,1 | 0,8 | 0,7 | 0,10 | 0,5 | |
| LM24 (сплав) | 4,0 | 0,5 | 1,3 | 3,0 | 0,3 | 0,3 |
| AlSi13Fe (сплав) | 0,1 | 0,55 | 1,3 | 0,15 | 0,1 | |
| Gas 7 (сплав) | 0,1 0,4 0,15 0,1 0,4||||||
| АК12оч (сплав) | 0,02 0,03 0,20 0,04 0,1||||||
| AlSi13 (сплав) | 0,1 | 0,4 | 0,7 | 0,1 | 0,1 | |
| LM6 (сплав) | 0,1 0,4 0,7 0,1 0,1||||||
| OOO «ЗАВОД ГОРЭЛТЕХ» (готовое изделие) | 0,1 0,4 менее 0,4 0,1 0,1||||||
Красным цветом обозначено недопустимое количество примесей, способствующие ускоренной коррозии алюминиевого сплава.
ВАЖНО ЗНАТЬ
Не применяйте алюминиевые сплавы, непригодные для длительной эксплуатации в парах сероводорода. Не нарушайте требования правил безопасности Ростехнадзора РФ по устойчивости оборудования к воздействию паров сероводорода!!!
Эксплуатационные характеристики Exd-оболочек с поверхностью «Взрыв» из различных материалов
При выборе материалов необходимо учитывать различные факторы окружающей среды. Окружающую среду (где используется наша продукция) сложно контролировать. Речь не идет об известных потенциальных угрозах во взрывоопасных зонах (что можно контролировать при помощи лабораторных испытаний и гарантийных сертификатов), проблема заключается в разрушениях, вызванных чрезвычайно опасными производствами, как например, химическими и нефтехимическими заводами. Устойчивость материалов к коррозии - относительный фактор, так как он зависит от условий окружающей среды, что значительно влияет на природу разрушения. Именно поэтому OOO «ЗАВОД ГОРЭЛТЕХ» (ранее ООО «КОРТЕМ-ГОРЭЛТЕХ») постоянно проводит испытания своей продукции, а также глубоко исследует устойчивость материалов во внешней среде. Это способствует выбору подходящего материала на основании объективного исследования и гарантирует надежность изделия в течение долгого времени.
| Чугун/сталь | Пластик | Нерж. сталь 08Х18Н10 | Коррозионно-стойкая нержавеющая хромо-никелевая литейная сталь OOO «ЗАВОД ГОРЭЛТЕХ» |
Алюминиевый сплав (содержание медь>0,1%, железо>0,7%, магний>0,1%) |
Коррозионно-стойкий модифицир. алюминиевый сплав (содержание медь≤0,1%, железо≤0,4%, магний≤0,1%) OOO «ЗАВОД ГОРЭЛТЕХ» |
||
| Средний срок службы корпуса, года | 20 | 4 | 25 | 30 | 5 | 25 | |
| Ср. срок службы поверхности «Взрыв», года | Наружная установка | 3 | - | 15 | 30 | 2 | 20 |
| Внутренняя установка | 5 | 3 | 20 | 30 | 4 | 25 | |
| Возможность восстановления (шлифовки) поверхности «Взрыв» | + | - | - | - | - | - | |
| Себестоимость производства корпусов | низкая | средняя | высокая | высокая | низкая | средняя | |
| Себестоимость установки Ех-компонентов | высокая | низкая | очень высокая | очень высокая | средняя | низкая | |
| Возможные размеры корпусов | большие | малые | большие | большие | средние | большие | |
| Масс а корпусов | большая | малая | большая | большая | средняя | малая | |
| Рассеиваемая мощность | высокая | низкая | средняя | средняя | максимальная | максимальная | |
| Применение в морских условиях | - | - | + | + | - | + | |
Срок службы поверхности «Взрыв» определяет длительность применения Exd-оболочек во взрывоопасной зоне.
Подразумевают специальную обработку расплава, чтобы получить мелкозернистый эвтектический кремний в литой структуре. Такая структура повышает механические свойства отливки, в том числе, относительное удлинение, а также во многих случаях - литейные свойства алюминиевого расплава. Как правило, модифицирование силумина производят путем добавления малых количеств натрия или стронция.
Сущность модифицирования
Сущность модифицирования силуминов - влияние содержания натрия на возможные формы эвтектического кремния в силумине Al Si11 - представлена на рисунках 1-4.
Рисунок 1 - Пластинчатая структура эвтектического кремния.
Условия для формирования пластинчатого кремния возникают в литейных сплавах при полном отсутствии фосфора или модифицирующих добавок, например, натрия или стронция.
Рисунок 2 - Гранулярная структура эвтектического кремния.
Условия для формирования гранулярной структуры эвтектического кремния возникают при наличии фосфора, но без натрия или стронция. Кристаллы кремния существуют в виде грубых зерен или пластин.
А)
б)
Рисунок 3 - а) «Недомодифицированная» структура эвтектического кремния;
б) Модифицированная структура эвтектического кремния.
В «недомодифицированном» и в большей степени в модифицированном микроструктурном состоянии, например, с добавками натрия или стронция, гранулы значительно снижаются в размерах, получают скругленную форму и равномерно распределяются. Все это благоприятно сказывается на пластических свойствах материала, в частности, на величине относительного удлинения.
Рисунок 4 – «Перемодифицированная» структура.
В случае «перемодифицирования», например, чрезмерного содержания натрия, в структуре появляются веноподобные ленты с грубыми кристаллами кремния. Это означает ухудшение механических свойств силумина.
Модифицирование силуминов натрием
В силуминах с содержанием кремния более 7 % эвтектический кремний занимает большую часть площади металлографического образца. При содержании кремния от 7 до 13 % тип эвтектической структуры, например, зернистый или модифицированный, значительно влияет на механические свойства материала, в частности, на пластичность или на относительное удлинение. Поэтому, когда при испытании образца необходимо получить более высокое относительное удлинение, алюминиевые сплавы с содержанием кремния от 7 до 13 % подвергают модифицированию путем добавления приблизительно 0,0040-0,0100 % натрия (40-100 ррм).
Модифицирование силуминов стронцием
В силуминах с содержанием кремния около 11 %, особенно для , в качестве долговременного модификатора применяют стронций. Отличие стронция от натрия как модификатора в том, что он значительно меньше выгорает из расплава, чем натрий. Стронция добавляют в количестве 0,014-0,040 % (140-400 ррм). Модифицирование стронцием обычно проводят на стадии производства чушек из соответствующих сплавов, поэтому на литейном предприятии модифицирование уже не производят. При низких скоростях охлаждения отливок модифицирование стронцием значительно менее эффективно и поэтому оно не рекомендуется к применению, например, при литье в песчаные формы.
Особенности обработки модифицированных расплавов
Чтобы избежать выгорания стронция все обработки расплава, в том числе дегазацию, ведут без применения хлорсодержащих материалов, а с использованием, например, аргона или азота. Модификация стронцием не пропадает даже при переплаве возвратного металла, например, прибыльных частей отливок. При необходимости потери стронция восполняют добавками лигатуры, содержащей стронций, согласно инструкции поставщика исходных чушек из модифицированного сплава.
Повторное модифицирование силуминов
Поскольку натрий выгорает из расплава относительно быстро, последующее модифицирование силуминов натрием должно производиться на литейном предприятии через определенные интервалы. В расплавах, модифицированных натрием, во всех операциях над расплавом не должны применяться материалы, содержащие хлор. Хлор реагирует со стронцием и натрием, выводит их из расплава и, тем самым, препятствует его модифицированию.
Н. Е. Калинина, В. П. Белоярцева, О. А. Кавац
МОДИФИЦИРОВАНИЕ ЛИТЕЙНЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ПОРОШКОВЫМИ КОМПОЗИЦИЯМИ
Приведено влияние дисперсных тугоплавких модификаторов на структуру и свойства литейных алюминиевых сплавов. Разработана технология модифицирования алюминиевых сплавов системы Л!-81-Мд порошковым модификатором карбида кремния.
Введение
Разработка новых узлов ракетно-космической техники ставит задачи повышения конструкционной прочности и коррозионной стойкости литейных алюминиевых сплавов. В украинских ракетоносителях применяют силумины системы алюминий-кремний, в частности, сплавы АЛ2, АЛ4 и АЛ4С, химические составы которых приведены в табл.1. Из сплавов АЛ2 и АЛ4С отливают ответственные детали, входящие в состав турбонасосного агрегата ракетного двигателя. Зарубежными аналогами отечественных силуминов служат сплавы 354, С355 системы А!-Б1-Си-Мд, сплавы 359 системы А!-Б1-Мд и А357 системы А!-Б1-Мд-Ве, которые применяются для литья корпусов электронных блоков и систем наведения ракет.
Результаты исследований
Повышения механических и литейных характеристик алюминиевых сплавов можно достичь введением элементов-модификаторов. Модификаторы литейных алюминиевых сплавов разделяют на две принципиально различные группы. К первой группе относятся вещества, которые создают в расплаве высокодисперсную взвесь в виде интерметал-лидов, являющихся подложкой для образующихся кристаллов. Ко второй группе модификаторов относятся поверхностно-активные вещества, действие которых сводится к адсорбции на гранях растущих кристаллов и тем самым - торможению их роста .
К модификаторам первого рода для алюминиевых сплавов относятся элементы И, 2г, В, БЬ, входящие в состав исследованных сплавов в количестве до 1 % масс. Ведутся исследования по использованию в качестве модификаторов первого рода таких тугоплавких металлов, как Бс, Н11, Та, V. Модификаторами второго рода являются натрий,
калий и их соли, которые находят широкое применение в промышленности. К перспективным направлениям относится использование в качестве модификаторов второго рода таких элементов, как КЬ, Бг, Те, Бе.
Новые направления в модифицировании литейных алюминиевых сплавов ведутся в области применения порошковых модификаторов. Применение таких модификаторов облегчает технологический процесс, является экологически безопасным, приводит к более равномерному распределению введенных частиц по сечению отливки, что повышает прочностные свойства и характеристики пластичности сплавов.
Следует отметить результаты исследований Г.Г. Крушенко . В состав сплава АЛ2 вводили порошковый модификатор карбид бора В4С. В результате достигнуто повышение пластичности с 2,9 до 10,5 % при увеличении прочности с 220,7 до 225,6 МПа. При этом средний размер макрозерна уменьшился от 4,4 до 0,65 мм2.
Механические свойства доэвтектических силуминов в основном зависят от формы эвтектического кремния и многокомпонентных эвтектик, которые имеют форму «китайских иероглифов». В работе приведены результаты модифицирования сплавов системы А!-Б1-Си-Мд-2п частицами нитридов титана Т1Ы размером менее 0,5 мкм. Исследование микроструктуры показало, что нитрид титана располагается в алюминиевой матрице, по границам зёрен, вблизи пластин кремния и внутри железосодержащих фаз. Механизм влияния дисперсных частиц Т1Ы на формирование структуры доэвтектических силуминов при кристаллизации состоит в том, что основная их масса выталкивается фронтом кристаллизации в жидкую фазу и принимает участие в измельчении эвтектических составляющих сплава. Расчёты показали, что при исполь-
Таблица 1 - Химический состав
Марка сплава Массовая доля элементов, %
А1 Si Mg Mn Cu Zn Sb Fe
АЛ2 Основа 10-13 0,1 0,5 0,6 0,3 - 1,0
АЛ4 8,0-10,5 0,17-0,35 0,2-0,5 0,3 0,3 - 1,0
АЛ4С 8,0-10,5 0,17-0,35 0,2-0,5 0,3 0,3 0,10-0,25 0,9
© Н. Е. Калинина, В. П. Белоярцева, О. А. Кавац 2006 г.
зовании частиц нитрида титана размером 0,1-0,3 мкм и при их содержании в металле около 0,015 % мас. распределение частиц составила 0,1 мкм-3.
В публикации рассмотрено модифицирование сплава АК7 дисперсными тугоплавкими частицами нитридов кремния 813^, в результате чего достигаются следующие механические свойства: стВ = 350-370 МПа; 8 = 3,2-3,4 %; НВ = 1180-1190 МПа. При введении в сплав АК7 частиц нитридов титана в количестве 0,01-0,02 % мас. временное сопротивление разрыву повышается на 12,5-28 %, относительное удлинение возрастает в 1,3-2,4 раза по сравнению с немодифицированным состоянием. После модифицирования сплава АЛ4 дисперсными частицами нитрида титана прочность сплава возросла с 171 до 213 МПа, а относительное удлинение - от 3 до 6,1 %.
Качество литейных композиций и возможность их получения зависят от ряда параметров, а именно: смачиваемости дисперсной фазы расплавом, природы дисперсных частиц, температуры дисперсной среды, режимов перемешивания металлического расплава при вводе частиц. Хорошая смачиваемость дисперсной фазы достигается, в частности, за счёт ввода поверхностно-активных металлических добавок. В данной работе изучено влияние добавок кремния, магния, сурьмы, цинка и меди на усвоение частиц карбида кремния БЮ фракции до 1 мкм жидким алюминием марки А7. Порошок БЮ вводили в расплав путём механического замешивания при температуре расплава 760±10 °С. Количество вводимого БЮ составляло 0,5 % от массы жидкого алюминия.
Сурьма несколько ухудшает усвоение вводимых частиц БЮ. Улучшают же усвоение элементы, дающие с алюминием сплавы эвтектического состава (Б1, 2п, Си). Такое влияние, по-видимому, связано не столько с поверхностным натяжением расплава, сколько со смачиваемостью частиц БЮ расплавом.
На ГП ПО "Южный машиностроительный завод" проведена серия опытных плавок алюминиевых сплавов АЛ2, АЛ4 и АЛ4С, в которые вводили порошковые модификаторы. Выплавку проводили в индукционной печи САН-0,5 с разливкой в кокили из нержавеющей стали. Микроструктура сплава АЛ4С до модифицирования состоит из грубых ден-дритов а-твёрдого раствора алюминия и эвтектики а(Д!)+Б1. Модифицирование карбидом кремния БС
позволило существенно измельчить дендриты а-твёрдого раствора и повысить дисперсность эвтектики (рис. 1 и рис.2).
Механические свойства сплавов АЛ2 и АЛ4С до и после модифицирования представлены в табл. 2.
Рис. 1. Микроструктура сплава АЛ4С до модифицирования, х150
Рис. 2. Микроструктура сплава АЛ4С после модифицирования Б1С, х150
Таблица 2 - Механические свойства
Марка сплава Способ литья Вид термической обработки <зВ, МПа аТ, МПа 8 , % НВ
АЛ2 Кокиль Т2 147 117 3,0 500
АЛ2, модифицированный 8Ю Кокиль 157 123 3,5 520
АЛ4С Кокиль Т6 235 180 3,0 700
АЛ4С, модифицированный 8Ю Кокиль 247 194 3,4 720
В данной работе изучено влияние температуры на степень усвоения тугоплавких частиц Т1С и Б1С. Установлено, что степень усвоения порошковых частиц расплавом АЛ4С резко изменяется с температурой. Во всех случаях наблюдали максимум усвоения при определённой для данного сплава температуре. Так, максимум усвоения частиц ТЮ достигнут при температуре расплава
700......720 °С, при 680 °С усвоение падает. При
повышении температуры до 780......790 °С усвоение ТЮ падает в 3......5 раз и продолжает уменьшаться при дальнейшем повышении температуры. Аналогичная зависимость усвоения от температуры расплава получена для БЮ, которая имеет максимум при 770 °С. Характерной особенностью всех зависимостей является резкое падение усвоения при входе в двухфазную область интервала кристаллизации.
Равномерное распределение дисперсных частиц карбида кремния в расплаве обеспечивается перемешиванием. С увеличением времени перемешивания степень усвоения дисперсных частиц ухудшается. Это свидетельствует о том, что первоначально усвоенные расплавом частицы в дальнейшем частично выводятся из расплава. Предположительно указанное явление можно объяснить действием центробежных сил, оттесняющих инородные дисперсные частицы, в данном случае БС, к стенкам тигля, а затем выводящих их на поверхность расплава. Поэтому во время проведения плавки перемешивание не велось непрерывно, а периодически возобновлялось перед отбором порций металла из печи.
На механические свойства силуминов существенно влияют размеры частиц вводимого модификатора. Механическая прочность литейных сплавов АЛ2, АЛ4 и АЛ4С линейно возрастает по мере уменьшения размеров частиц порошковых модификаторов.
В результате проведенных теоретических и эк-
спериментальных исследований разработаны технологические режимы получения качественных литейных алюминиевых сплавов, модифицированных порошковыми тугоплавкими частицами.
Исследования показали, что при вводе дисперсных частиц карбида кремния в алюминиевые сплавы АЛ2, АЛ4, АЛ4С происходит модифицирование структуры силуминов, измельчается и принимает более компактную форму первичный и эвтектический кремний, уменьшается размер зерна а-твёр-дого раствора алюминия, что ведёт к повышению прочностных характеристик модифицированных сплавов на 5-7 %.
Список литературы
1. Фридляндер И.Н. Металловедение алюминия и его сплавов. - М.: Металлургия, 1983. -522 с.
2. Крушенко Г.Г. Модифицирование алюминие-во-кремниевых сплавов порошкообразными добавками // Материалы II Всесоюзной научной конференции " Закономерности формирования структуры сплавов эвтектического типа". - Днепропетровск, 1982. - С. 137-138.
3. Михаленков К.В. Формирование структуры алюминия, содержащего дисперсные частицы нитрида титана // Процессы литья. - 2001. -№1.- С. 40-47.
4. Чернега Д.Ф. Влияние дисперсных тугоплавких частиц в расплаве на кристаллизацию алюминия и силумина // Литейное производство, 2002. - №12. - С. 6-8.
Поступила в редакцию 6.05.2006 г.
Приведено вплив дисперсних тугоплавких модиф1катор1в на структуру та власти-вост! ливарних алюм1н1евих сплав1в. Розроблена технолог1я модиф1кування алюм1н1евих сплав1в системи Al-Si-Mg порошковим модиф1катором карб1да кремн1ю.
The influence of fine refractory modifiers on structure and properties of foundry aluminum alloys is given. The technology of modifying of aluminum alloys of system Al-Si-Mg by the powder modifier carbide of silicon is developed.
Некоторые сплавы при нормальной кристаллизации имеют в отливках пониженные механические свойства в результате образования грубой, крупнозернистой макро- или микроструктуры. Этот недостаток устраняется введением в расплав перед заливкой небольших присадок специально подобранных элементов, которые называют модификаторами.
Модифицированием (видоизменением) называют операцию введения в жидкий металл добавок, которые, существенно не меняя химического состава сплава, воздействуют на процессы кристаллизации, измельчают структуру и заметно повышают свойства литого материала. Модифицирующие присадки могут либо измельчать макрозерно, либо микроструктуру, или воздействовать одновременно на обе эти характеристики. К модификаторам можно отнести также специальные присадки, добавляемые в металлы для перевода нежелательных легкоплавких составляющих в тугоплавкие и менее вредные соединения. Классическим примером модифицирования является модифицирование доэвтектических (до 9% Si) и эвтектических (10-14% Si) силуминов присадками натрия в количестве 0,001-0,1%.
Литая структура немодифицированных силуминов состоит из дендритов α-твердого раствора и эвтектики (α + Si), в которой кремний имеет грубое, игольчатое строение. Отсюда эти сплавы имеют невысокие свойства, особенно пластичность.
Введение в силумины небольших добавок натрия резко измельчает выделение кремния в эвтектике и делает тоньше ветви дендритов α-раствора.
Механические свойства при этом значительно возрастают, улучшаются обрабатываемость резанием и восприимчивость к термообработке. Натрий вводят в расплав перед заливкой либо в виде металлических кусочков, либо с помощью специальных солей натрия, из которых натрий переходит в металл в результате обменных реакций солей с алюминием расплава.
В настоящее время для этих целей применяют так называемые универсальные флюсы, которые одновременно выполняют рафинирующее, дегазирующее и модифицирующее воздействие на металл. Составы флюсов и основные параметры обработки будут подробно приведены при описании технологии плавки алюминиевых сплавов.
Количество натрия, необходимого для модифицирования, зависит от содержания в силумине кремния: при 8-10% Si необходимо 0,01% Na, при 11 - 13% Si - 0,017-0,025% Na. Избыточные количества Na (0,1-0,2%) противопоказаны, так как при этом наблюдается не измельчение, а, наоборот, огрубление структуры (перемодифицирование) и свойства резко ухудшаются.
Эффект модифицирования сохраняется при выдержке перед заливкой в песчаные формы до 15-20 мин, а при литье в металлические формы - до 40-60 мин, так как при длительной выдержке натрий испаряется. Практический контроль модифицирования осуществляется обычно по внешнему виду излома литой цилиндрической пробы по сечению, эквивалентному толщине отливки. Ровный мелкозернистый, сероватошелковистый излом говорит о хорошем модифицировании, а грубый (с видимыми блестящими кристалликами кремния) излом свидетельствует о недостаточном модифицировании. При литье силуминов, содержащих до 8% Si, в металлические формы, способствующие быстрой кристаллизации металла, введение натрия необязательно (или его вводят в меньших количествах), так как в таких условиях структура получается мелкозернистой и без модификатора.
Заэвтектические силумины (14-25% Si) модифицируют присадками фосфора (0,001-0,003%), которые измельчают одновременно первичные выделения свободного кремния и кремний в эвтектике (α + Si). Однако при литье следует учитывать, что натрий придает и некоторые отрицательные свойства расплаву. Модифицирование вызывает снижение жидкотекучести сплавов (на 5-30%). Натрий увеличивает склонность силуминов к газонасыщению, вызывает взаимодействие расплава с влагой формы, что затрудняет получение плотных отливок. Вследствие изменения характера кристаллизации эвтектики происходит видоизменение усадки. В немодифицированном эвтектическом силумине объемная усадка проявляется в виде концентрированных раковин, а в присутствии натрия - в виде мелкой рассеянной пористости, что затрудняет получение плотных отливок. Поэтому на практике необходимо вводить в силумины минимально необходимые количества модификатора.
Примером измельчения первичного макрозерна (макроструктуры) сплавов добавками может служить модифицирование магниевых сплавов. Обычная немодифицированная литая структура этих сплавов грубозернистая с пониженными (на 10-15%) механическими свойствами. Модифицирование сплавов МЛ3, МЛ4, МЛ5 и МЛ6 производится путем перегрева сплава, обработкой хлорным железом или углеродсодержащими материалами. Наиболее распространенным является модифицирование углеродсодержащими добавками -магнезитом или углекислым кальцием (мелом). При модифицировании сплава мел или мрамор (мел в виде сухого порошка, а мрамор в виде мелкой крошки в количестве 0,5-0,6% от массы шихты) с помощью колокольчика в два-три приема вводят в расплав, нагретый до 750-760°.
Под действием температуры мел или мрамор разлагаются по реакции
СаСO 3 → СаО + СO 2
Выделяющийся CO2 взаимодействует с магнием по реакции
3Mg + СO 2 → MgO + Mg(С) .
Выделяющийся углерод, или карбиды магния, как считают, облегчает кристаллизацию из многих центров, это приводит к измельчению зерна.
Практика воздействия модификаторов на другие сплавы показала, что повышение свойств благодаря измельчению литого первичного зерна наблюдается только в том случае, если одновременно измельчается микроструктура сплава, так как форма и количество составляющих микроструктуры в значительной мере определяют прочностные свойства материала. Влияние модификаторов зависит от их свойств и количества, типа модифицируемых сплавов, скоростей кристаллизации отливки. Например, введение циркония в количестве 0,01-0,1% в оловянные бронзы сильно измельчает первичное зерно сплава. При 0,01-0,02% Zr заметно повышаются механические свойства оловянных бронз (у БрОЦ10-2 θ b и δ возрастают на 10-15%). С увеличением количества модификатора выше 0,05% сильное измельчение макрозерна сохраняется, однако свойства резко падают в результате укрупнения микроструктуры. Этот пример показывает, что для каждого сплава существуют свои оптимальные количества модификаторов, которые способны оказывать благоприятные действия на свойства, а всякое отклонение от них не дает желательного положительного эффекта.
Модифицирующее действие присадок титана на обрабатываемые алюминиевые сплавы типа дюралюминий (Д16) и другие проявляется лишь при значительных скоростях затвердевания. Например, при обычных скоростях затвердевания полунепрерывного литья слитков модифицирующие добавки титана измельчают литое зерно, но не изменяют его внутреннего строения (толщину осей дендритов) и в конечном счете не влияют на механические свойства. Однако, несмотря на это, присадку титана применяют, так как мелкозернистая литая структура уменьшает склонность сплава к образованию трещин при литье. Эти примеры свидетельствуют о том, что название «модифицирование» нельзя понимать как всеобщее повышение свойств материала. Модифицирование - это конкретная мера для устранения того или иного неблагоприятного фактора в зависимости от природы сплава и условий литья.
Неодинаковая природа воздействия малых добавок модификаторов на структуру и свойства различных сплавов и влияние на процесс модифицирования многих внешних факторов в известной мере объясняют отсутствие в настоящее время общепринятого единого объяснения действия модификаторов. Например, существующие теории модифицирования силуминов можно разделить на две основные группы - модификатор изменяет либо зарождение, либо развитие кристаллов кремния в эвтектике.
В теориях первой группы предполагается, что зародыши кремния, выделяющиеся из расплава при кристаллизации, дезактивируются из-за адсорбции натрия на их поверхности, или на поверхности первичных кристаллов алюминия. В теориях второй группы учитывается очень малая растворимость натрия в алюминии и кремнии. Предполагается, что из-за этого натрий скапливается в слое жидкости, окружающем кристаллы кремния при затвердевании эвтектики, и тем самым затрудняет их рост вследствие переохлаждения. Установлено, что в модифицированном сплаве эвтектика переохлаждается на 14-33°. Эвтектическая точка при этом сдвигается с 11,7% до 13-15% Si. Однако точка плавления эвтектики при нагревании после кристаллизации в модифицированном и немодифицированном сплаве одинакова. Это говорит о том, что имеет место истинное переохлаждение, а не простое понижение точки плавления от добавки модификатора. Действительно, факты измельчения эвтектики силумина при литье в кокиль и быстром охлаждении говорят о том, что это может быть только следствием возрастающего переохлаждения и повышенной скорости затвердевания, при которой диффузия кремния на большие расстояния невозможна. Вследствие переохлаждения кристаллизация протекает очень быстро, из многих центров, благодаря этому образуется дисперсная структура.
В некоторых случаях считают, что натрий уменьшает поверхностную энергию и межфазовое натяжение на границе алюминий-кремний.
Модифицирование литого зерна (макро) связывают с образованием в расплаве перед кристаллизацией или в момент кристаллизации многочисленных центров кристаллизации в виде тугоплавких зародышей, состоящих из химических соединений модификатора с компонентами сплава и имеющих параметры структурной решетки, подобные структуре модифицируемого сплава.
