Legieren und Modifizieren von Aluminium und Magnesium. Modifikation von Legierungen MSM-Mischungen Modifikation von Aluminiumlegierungen
Aluminium ist eines der am häufigsten verwendeten Materialien bei der Herstellung explosionsgeschützter Geräte.
OOO „ZAVOD GORELTEX“ (ehemals LLC „KORTEM-GORELTECH“) hat große Anstrengungen in der Erforschung von Aluminiumlegierungen und technologischen Methoden zu ihrer Verarbeitung unternommen. Aluminium ist äußerst korrosionsbeständig und gilt in vielen Anwendungen als das effizienteste und vielseitigste Material. Es ist viel leichter als Gusseisen und erleichtert so die Unterbringung elektrischer Geräte. Aluminium ist korrosionsbeständig und muss im Gegensatz zu Gusseisen, das verzinkt und lackiert werden muss, nicht an der Oberfläche geschützt werden. Aluminium ist zudem deutlich günstiger als Edelstahl. Die mechanischen Eigenschaften von Aluminiumgusslegierungen sind mehr als zufriedenstellend, um den Explosionsschutz elektrischer Geräte zu gewährleisten.
Nach vielen Jahren der Forschung wurde bekannt, dass es der Kupfergehalt der Legierung ist, der in Gegenwart eines Elektrolyten Korrosion verursacht.
Aluminium-Magnesium-Legierungen weisen die beste Korrosionsbeständigkeit auf und werden daher am häufigsten im Schiffbau eingesetzt. Diese Legierungen eignen sich jedoch nicht für explosionsgeschützte Gehäuse oder Teile, die in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden. Der Grund dafür ist, dass Aluminium-Magnesium-Legierungen beim Reiben an Metallgegenständen (Werkzeugen) Funken erzeugen. Tatsächlich ist Magnesium leicht entflammbar und sein Vorhandensein in der Legierung stellt ein Risiko dar, das in explosionsgefährdeten Bereichen nicht akzeptabel ist. Explosionsschutznormen erlauben einen Magnesiumgehalt in Aluminiumlegierungen von bis zu 6 %. Diese Toleranz ist recht hoch, da bereits ein geringer Magnesiumanteil beim Reiben an der Gehäuseoberfläche Funken verursachen kann.
Derzeit verwendet LLC „ZAVOD GORELTEX“ (ehemals LLC „KORTEM-GORELTECH“) eine korrosionsbeständige modifizierte Aluminium-Silizium-Legierung mit einem Siliziumanteil von 7 % bis 14 %, je nach Gusstechnologie. Kupfer liegt nur als Verunreinigung vor und Primärlegierungen können maximal 0,05 % Kupfer in Barren und 0,1 % in Gussstücken enthalten. Eisen liegt nur als Verunreinigung vor und Primärlegierungen können maximal 0,15 % Eisen in Barren und 0,4 % in Gussstücken enthalten. Diese Legierungen garantieren einen vollständigen Korrosionsschutz in jeder Umgebung.
Korrosionsbeständigkeit
Aluminium und seine Legierungen zeichnen sich durch eine gute Korrosionsbeständigkeit in verschiedenen Umgebungen aus. Obwohl Aluminium ein reaktives Metall ist, bleibt es aufgrund der Bildung eines schützenden Oxidfilms auf der Oberfläche stabil. Wenn dieser Film zerstört wird, reproduziert er sich sofort wieder und seine Dicke liegt zwischen 50 und 100 Mikrometern. Der Film wird dicker, wenn er einer extrem korrosiven Atmosphäre ausgesetzt wird oder künstlichen Methoden wie Eloxieren unterzogen wird. Bei versehentlicher Beschädigung der Oberfläche wird der Film automatisch wiederhergestellt. Korrosion von Aluminium und seinen Legierungen wird durch Bedingungen verursacht, die eine mechanische Beschädigung des Schutzfilms begünstigen, oder durch chemische Bedingungen, die einen bestimmten Bereich des Films beschädigen und die für die Selbstheilung des Films erforderliche Sauerstoffmenge verringern. Dieser schützende Oxidfilm ist im Allgemeinen in wässrigen Lösungen mit einem pH-Wert von 4,5 bis 8,5 stabil und wird durch Säuren und Laugen wie Salpetersäure, Essigsäure, Natriumsilikat oder Ammoniumhydroxid nicht zerstört.
Wie bei anderen Metallen ist das Korrosionsphänomen mit dem Stromdurchgang zwischen der anodischen und der kathodischen Zone verbunden, also mit unterschiedlichen Potentialen zwischen den Zonen. Die Struktur und das Ausmaß der Korrosion hängen von verschiedenen Faktoren ab, beispielsweise der Struktur der Mikrokomponenten, deren Lage und Qualität. Reinaluminium weist die beste Korrosionsbeständigkeit auf. Das Vorhandensein von Verunreinigungen auf der Oberfläche oder im Inneren des Metalls kann die Korrosionsbeständigkeit erheblich verringern.
Aluminium-Silizium-Legierungen
Für den Aluminiumguss werden üblicherweise drei Arten von Legierungen verwendet:
- Aluminium-Kupfer
- Aluminium-Magnesium
- Aluminium-Silizium
Lassen wir die ersten beiden Legierungen aus den zuvor genannten Gründen außer Acht und wenden uns nun direkt den Aluminium-Silizium-Legierungen zu. Diese Kategorie umfasst Aluminiumlegierungen zum Gießen, die in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden. Diese Legierungen zeichnen sich durch einen Siliziumgehalt von 7 % bis 14 % aus und werden ohne Kupfer verwendet, was eine gute Fließfähigkeit, durchschnittliche mechanische Stabilität und Korrosionsbeständigkeit gewährleistet. Die Zugabe einer kleinen Menge Magnesium zur Legierung zur Verbesserung der Wärmebehandlung führt zu einer Verschlechterung ihrer Korrosionsschutzeigenschaften.
Al-Si-Legierungen gehören zu den besten Legierungen, die beim Aluminiumguss verwendet werden, da sie über wertvolle Eigenschaften verfügen, die zum Gießen erforderlich sind:
- Recht hohe mechanische Stabilität
- Gute Formbarkeit
- Gute Dichte
- Korrosionsbeständig
Einige dieser Eigenschaften sind möglicherweise nur in Al-Si-Legierungen enthalten. Um die Wirksamkeit dieser Eigenschaften zu verstärken, ist eine spezielle Verarbeitung erforderlich.
Modifizierung von Aluminium-Silizium-Legierungen
Es ist auch notwendig, auf die Verarbeitung der Aluminium-Silizium-Legierung zu achten – die Gusstechnologie. Eine Reihe von Unternehmen schreiben zu Werbezwecken, dass sie zur Herstellung ihrer Produkte Spritzguss und die Legierung AK12 (AL2) verwenden. Es ist zu beachten, dass eine solche Legierung ohne den Einsatz einer speziellen Technologie recht zerbrechlich ist, da das Produkt sonst spröde wird und nicht für explosionsgeschützte Geräte verwendet werden kann. Daher verwendet LLC „ZAVOD GORELTEX“ (ehemals LLC „KORTEM-GORELTECH“) eine spezielle Gusstechnologie (ein komplexes System zur Kühlung und Begasung des Produkts), um eine korrosionsbeständige modifizierte Aluminiumlegierung herzustellen, die den Einsatz von Produkten in der Produktion ermöglicht Meeresumwelt.
Um die Bedeutung der Modifikation auf physikalischer und mechanischer Ebene richtig zu verstehen, reicht es aus, den Strukturunterschied in der Mikrofotografie vor und nach der Bearbeitung zu analysieren. Wenn Sie sich die Mikroaufnahmen ansehen, können Sie die verbesserte Qualität der modifizierten Struktur der Legierung unten im Vergleich zur groben Struktur der unmodifizierten Legierung oben erkennen.
Unmodifizierte Aluminiumlegierung in Produkten anderer Hersteller
Korrosionsbeständige modifizierte Aluminium-Silizium-Legierung, beständig gegen Salznebel und andere Chemikalien, einschließlich beständig gegen Schwefelwasserstoff und Salzsäuredämpfe, gegen salzhaltiges und saures Grubenwasser, in Produkten von LLC „ZAVOD GORELTEX“ (ehemals LLC „KORTEM-GORELTEX“) )
Modifikation – Veränderung der Nanostruktur der Legierung. Die Besonderheit dieser Modifikation ist die Herstellung von Legierungen ohne Zusatz von Modifikatoren und Verunreinigungen: Eisen, Magnesium oder Kupfer, unter Verwendung der speziellen Gusstechnologie von ZAVOD GORELTEX LLC (ehemals KORTEM-GORELTEX LLC). Ermöglicht die Vermeidung von Edelstahl (außer Güteklasse 03Х17Н13М2 gemäß GOST 5632-72 (AISI 316L))
In der unmodifizierten Struktur sind große polyedrische primäre Siliziumkristalle zu sehen, die von verbesserten, aber kleineren nadelförmigen eutektischen Al-Si-Formationen umgeben sind. Im Hintergrund ist eine grobe Matrix der Phase a (eine feste Lösung von Silizium in Aluminium) zu sehen. Die Struktur sieht uneben aus und ihre Komponenten sind chaotisch angeordnet. Daraus kann geschlossen werden, dass die große Größe und die scharfen Enden dieser Formationen zu unvorhersehbaren anisotropen Eigenschaften führen.
Die Wahl der Modifikationsart beim Aluminiumguss bleibt das umstrittenste Thema. Dies hängt von mehreren Gründen ab: von der Technologie, die diese Art der Modifikation erfordert, über ihre Auswirkung auf die Gusseigenschaften bis hin zu wirtschaftlichen Faktoren und Umwelteinflüssen.
Untereutektische Legierungen mit einem Siliziumanteil von weniger als 13 % können durch Zugabe präziser Mengen an Natrium oder Strontium modifiziert werden, die beide das Eutektikum verbessern. Der Zusatz von Kalzium und Antimon kann in manchen Fällen sehr vorteilhaft sein. Bei untereutektischen Legierungen wird die Gussstruktur durch Modifizierung der nichteutektischen Siliziumkristalle und durch Zugabe von Phosphor verbessert.
Die modifizierte Nanostruktur weist keine großen Siliziumkristalle auf, während die feste Struktur in Form von Dendriten präsentiert wird, die in einer Masse kleiner eutektischer Formationen gemischt sind, die bei Vergrößerung unter dem Mikroskop eine Kugelform haben. Daher können wir den Schluss ziehen, dass die Modifikationsbehandlung die Struktur der Al-Si-Legierung beeinflusst und den eutektischen Formationen eine verbesserte sphärische Struktur verleiht.
Es gibt auch korrosionsbeständige Aluminium-Silizium-Legierungen mit Titanzusatz, zum Beispiel GAS 7. In Bezug auf die mechanischen Eigenschaften weist dieser Legierungstyp eine geringe Empfindlichkeit gegenüber dem Einfluss äußerer Spannungskonzentratoren bei zyklischer Belastung und eine hohe Schwingungsdämpfung auf Koeffizient bei Vibrationen von Teilen sowie eine gute gleichmäßige Wärmeleitfähigkeit.
Aluminiumlegierungen, die bei der Herstellung elektrischer Geräte verwendet werden
| Produkte aus Aluminium-Silizium-Legierungen, Qualität aus recyceltem Aluminium |
Gehalt an korrosionsfördernden Verunreinigungen, % | Gehalt an Verunreinigungen, die zur Entstehung eines Funkens beitragen, % | ||||
| AK9 (Legierung) | 1 0,5 0,8 0,5 0,45||||||
| AK7 (Legierung) | 1,5 0,6 1 0,5 0,55||||||
| AK12(AL2) (Legierung) | 0,6 0,5 0,7 0,3 0,1||||||
| AlSi12 (Legierung) | 0,1 | 0,55 | 1,3 | 0,15 | 0,1 | |
| EN AC - AlSi12(Fe) (Legierung) | 0,1 0,55 1,0 0,15 0,1||||||
| AlSi9MnMg (Legierung) | 0,1 | 0,8 | 0,7 | 0,10 | 0,5 | |
| LM24 (Legierung) | 4,0 | 0,5 | 1,3 | 3,0 | 0,3 | 0,3 |
| AlSi13Fe (Legierung) | 0,1 | 0,55 | 1,3 | 0,15 | 0,1 | |
| Gas 7 (Legierung) | 0,1 0,4 0,15 0,1 0,4||||||
| AK12och (Legierung) | 0,02 0,03 0,20 0,04 0,1||||||
| AlSi13 (Legierung) | 0,1 | 0,4 | 0,7 | 0,1 | 0,1 | |
| LM6 (Legierung) | 0,1 0,4 0,7 0,1 0,1||||||
| LLC „ZAVOD GORELTEKH“ (Fertigprodukt) | 0,1 0,4 weniger als 0,4 0,1 0,1||||||
Rot angezeigt inakzeptabel die Menge an Verunreinigungen, die zur beschleunigten Korrosion der Aluminiumlegierung beitragen.
ES IST WICHTIG ZU WISSEN
Verwenden Sie keine Aluminiumlegierungen, die für den Dauerbetrieb in Schwefelwasserstoffdämpfen ungeeignet sind. Verstoßen Sie nicht gegen die Anforderungen der Sicherheitsvorschriften von Rostekhnadzor der Russischen Föderation bezüglich der Beständigkeit von Geräten gegenüber den Auswirkungen von Schwefelwasserstoffdampf!!!
Leistungsmerkmale von Exd-Granaten mit „Explosion“-Oberfläche aus verschiedenen Materialien
Bei der Materialauswahl müssen verschiedene Umweltfaktoren berücksichtigt werden. Die Umgebung (in der unsere Produkte verwendet werden) ist schwer zu kontrollieren. Dabei handelt es sich nicht um bekannte potenzielle Gefahren in explosionsgefährdeten Bereichen (die durch Labortests und Garantiezertifikate kontrolliert werden können), sondern um die Zerstörung, die durch extrem gefährliche Industrien wie Chemie- und Petrochemieanlagen verursacht wird. Die Korrosionsbeständigkeit von Materialien ist ein relativer Faktor, da sie von den Umgebungsbedingungen abhängt, die die Art der Zerstörung erheblich beeinflussen. Aus diesem Grund testet LLC „ZAVOD GORELTEX“ (ehemals LLC „KORTEM-GORELTEX“) seine Produkte ständig und untersucht auch eingehend die Stabilität von Materialien in der äußeren Umgebung. Dies erleichtert die Auswahl geeigneter Materialien auf der Grundlage objektiver Untersuchungen und garantiert die Zuverlässigkeit des Produkts im Laufe der Zeit.
| Gusseisen/Stahl | Plastik | Edelstahl Stahl 08Х18Н10 | Korrosionsbeständiger Edelstahl Chrom-Nickel-Gussstahl OOO „ZAVOD GORELTEKH“ |
Aluminiumlegierung (Kupfergehalt >0,1 %, Eisen >0,7 %, Magnesium >0,1 %) |
Korrosionsbeständig modifiziert. Aluminiumlegierung (Kupfergehalt ≤ 0,1 %, Eisen ≤ 0,4 %, Magnesium ≤ 0,1 %) OOO „ZAVOD GORELTEKH“ |
||
| Durchschnittliche Lebensdauer des Gehäuses, Jahre | 20 | 4 | 25 | 30 | 5 | 25 | |
| Heiraten. Lebensdauer der „Explosion“-Oberfläche, Jahre | Außenaufstellung | 3 | - | 15 | 30 | 2 | 20 |
| Innenaufstellung | 5 | 3 | 20 | 30 | 4 | 25 | |
| Möglichkeit der Wiederherstellung (Schleifen) der „Explosion“-Oberfläche | + | - | - | - | - | - | |
| Kosten für die Herstellung von Gehäusen | niedrig | Durchschnitt | hoch | hoch | niedrig | Durchschnitt | |
| Kosten für den Einbau von Ex-Komponenten | hoch | niedrig | sehr hoch | sehr hoch | Durchschnitt | niedrig | |
| Mögliche Gehäusegrößen | groß | klein | groß | groß | Durchschnitt | groß | |
| Gewicht der Gehäuse | groß | klein | groß | groß | Durchschnitt | klein | |
| Energieverschwendung | hoch | niedrig | Durchschnitt | Durchschnitt | maximal | maximal | |
| Marineanwendungen | - | - | + | + | - | + | |
Die Lebensdauer der „Explosion“-Oberfläche bestimmt die Einsatzdauer von Exd-Verkleidungen in explosionsgefährdeten Bereichen.
Dabei handelt es sich um eine spezielle Aufbereitung der Schmelze, um feinkörniges eutektisches Silizium in Gussstruktur zu erhalten. Diese Struktur erhöht die mechanischen Eigenschaften des Gussteils, einschließlich der relativen Dehnung, und in vielen Fällen auch die Gießeigenschaften der Aluminiumschmelze. Allgemein, Modifikation von Silumin hergestellt durch Zugabe kleiner Mengen Natrium oder Strontium.
Die Essenz der Modifikation
Das Wesentliche der Silumin-Modifikation – die Auswirkung des Natriumgehalts auf die möglichen Formen von eutektischem Silizium in Al Si11-Silumin – wird in den Abbildungen 1-4 dargestellt.
Abbildung 1 – Lamellenstruktur von eutektischem Silizium.
Bedingungen für die Bildung von lamellarem Silizium ergeben sich in Gusslegierungen ohne Phosphor oder modifizierende Zusätze, beispielsweise Natrium oder Strontium.
Abbildung 2 – Körnige Struktur von eutektischem Silizium.
Bedingungen für die Bildung einer körnigen Struktur aus eutektischem Silizium ergeben sich in Gegenwart von Phosphor, jedoch ohne Natrium oder Strontium. Siliziumkristalle liegen in Form grober Körner oder Wafer vor.
A)
B)
Abbildung 3 - a) „Unmodifizierte“ Struktur von eutektischem Silizium;
b) Modifizierte Struktur von eutektischem Silizium.
Im „untermodifizierten“ und in stärkerem Maße auch im modifizierten Gefügezustand, beispielsweise durch Zugabe von Natrium oder Strontium, werden die Granulatkörner deutlich verkleinert, erhalten eine abgerundete Form und sind gleichmäßig verteilt. All dies wirkt sich positiv auf die plastischen Eigenschaften des Materials aus, insbesondere auf die relative Dehnung.
Abbildung 4 – „Remodifizierte“ Struktur.
Bei einer „Übermodifikation“, beispielsweise einem zu hohen Natriumgehalt, entstehen in der Struktur venenartige Bänder mit groben Siliziumkristallen. Dies bedeutet eine Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften von Silumin.
Modifikation von Siluminen mit Natrium
Bei Siluminen mit einem Siliziumgehalt von mehr als 7 % nimmt eutektisches Silizium den größten Teil der Fläche der metallographischen Probe ein. Bei Siliziumgehalten von 7 bis 13 % beeinflusst die Art der eutektischen Struktur, beispielsweise körnig oder modifiziert, maßgeblich die mechanischen Eigenschaften des Materials, insbesondere die Duktilität oder Dehnung. Wenn daher beim Testen einer Probe eine höhere relative Dehnung erzielt werden muss, werden Aluminiumlegierungen mit einem Siliziumgehalt von 7 bis 13 % durch Zugabe von etwa 0,0040–0,0100 % Natrium (40–100 ppm) modifiziert.
Modifikation von Siluminen mit Strontium
In Siluminen mit einem Siliziumgehalt von etwa 11 %, insbesondere für , wird Strontium als Langzeitmodifikator eingesetzt. Der Unterschied zwischen Strontium und Natrium als Modifikator besteht darin, dass es viel weniger aus der Schmelze ausbrennt als Natrium. Strontium wird in einer Menge von 0,014–0,040 % (140–400 ppm) zugesetzt. Die Modifizierung mit Strontium erfolgt üblicherweise bereits bei der Herstellung von Barren aus den entsprechenden Legierungen, so dass die Modifizierung nicht mehr in der Gießerei erfolgt. Bei niedrigen Abkühlgeschwindigkeiten von Gussstücken ist die Modifizierung mit Strontium deutlich weniger wirksam und wird daher beispielsweise für den Einsatz in Sandformen nicht empfohlen.
Merkmale der Verarbeitung modifizierter Schmelzen
Um ein Ausbrennen von Strontium zu vermeiden, werden alle Schmelzebehandlungen, einschließlich der Entgasung, ohne den Einsatz chlorhaltiger Materialien, sondern beispielsweise unter Verwendung von Argon oder Stickstoff durchgeführt. Die Modifizierung mit Strontium verschwindet auch dann nicht, wenn das Rückmetall, beispielsweise gewinnbringende Teile von Gussteilen, erneut eingeschmolzen wird. Bei Bedarf werden Strontiumverluste durch Zugabe einer strontiumhaltigen Vorlegierung gemäß den Anweisungen des Lieferanten der ursprünglichen modifizierten Legierungsmolche ausgeglichen.
Neumodifizierung von Siluminen
Da Natrium relativ schnell aus der Schmelze ausbrennt, muss in bestimmten Abständen eine nachträgliche Modifizierung von Siluminen mit Natrium in der Gießerei durchgeführt werden. Bei natriummodifizierten Schmelzen sollten bei allen Vorgängen, die die Schmelze betreffen, keine chlorhaltigen Materialien verwendet werden. Chlor reagiert mit Strontium und Natrium, entfernt diese aus der Schmelze und verhindert dadurch deren Veränderung.
N. E. Kalinina, V. P. Beloyartseva, O. A. Kavac
MODIFIZIERUNG VON GUSSALUMINIUMLEGIERUNGEN MIT PULVERZUSAMMENSETZUNGEN
Der Einfluss dispergierter feuerfester Modifikatoren auf die Struktur und Eigenschaften von Aluminiumgusslegierungen wird dargestellt. Es wurde eine Technologie zur Modifizierung von Aluminiumlegierungen des L!-81-Md-Systems mit einem Pulvermodifikator aus Siliziumkarbid entwickelt.
Einführung
Bei der Entwicklung neuer Komponenten der Raketen- und Raumfahrttechnik stellt sich die Aufgabe, die strukturelle Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit von Aluminiumgusslegierungen zu erhöhen. Ukrainische Trägerraketen verwenden Silumine des Aluminium-Silizium-Systems, insbesondere AL2-, AL4- und AL4S-Legierungen, deren chemische Zusammensetzung in Tabelle 1 aufgeführt ist. Die Legierungen AL2 und AL4S werden zum Gießen kritischer Teile verwendet, aus denen die Turbopumpeneinheit eines Raketentriebwerks besteht. Ausländische Analoga heimischer Silumine sind die verwendeten Legierungen 354, C355 des Systems A!-B1-Si-Md, Legierungen 359 des Systems A!-B1-Md und A357 des Systems A!-B1-Md-Be zum Gießen von Gehäusen für elektronische Einheiten und Raketenleitsysteme.
Forschungsergebnisse
Eine Verbesserung der mechanischen und Gusseigenschaften von Aluminiumlegierungen kann durch die Einführung von Modifikatorelementen erreicht werden. Modifikatoren für Aluminiumgusslegierungen werden in zwei grundsätzlich unterschiedliche Gruppen eingeteilt. Zur ersten Gruppe gehören Stoffe, die in Form intermetallischer Verbindungen eine hochdisperse Suspension in der Schmelze bilden, die als Substrat für die entstehenden Kristalle dient. Zur zweiten Gruppe von Modifikatoren gehören Tenside, deren Wirkung auf die Adsorption an den Flächen wachsender Kristalle reduziert wird und dadurch deren Wachstum hemmt.
Modifikatoren erster Art für Aluminiumlegierungen umfassen die Elemente I, 2g, B, Bb, die in der Zusammensetzung der untersuchten Legierungen in Mengen bis zu 1 Gew.-% enthalten sind. Derzeit wird an der Verwendung von Refraktärmetallen wie BS, H11, Ta, V als Modifikatoren der ersten Art geforscht. Modifikatoren der zweiten Art sind Natrium,
Kalium und seine Salze, die in der Industrie weit verbreitet sind. Zu den vielversprechenden Richtungen gehört die Verwendung von Elementen wie Kb, Bg, Te, Fe als Modifikatoren zweiter Art.
Neue Wege in der Modifizierung von Aluminiumgusslegierungen werden im Bereich der Verwendung von Pulvermodifikatoren verfolgt. Der Einsatz solcher Modifikatoren erleichtert den technologischen Prozess, ist umweltfreundlich und führt zu einer gleichmäßigeren Verteilung der eingebrachten Partikel über den Gussquerschnitt, was die Festigkeitseigenschaften und Duktilitätseigenschaften der Legierungen erhöht.
Hervorzuheben sind die Forschungsergebnisse von G.G. Kruschenko. Der Pulvermodifikator Borcarbid B4C wurde in die Zusammensetzung der AL2-Legierung eingebracht. Dadurch wurde eine Steigerung der Duktilität von 2,9 auf 10,5 % bei einer Festigkeitssteigerung von 220,7 auf 225,6 MPa erreicht. Gleichzeitig verringerte sich die durchschnittliche Makrokorngröße von 4,4 auf 0,65 mm2.
Die mechanischen Eigenschaften von untereutektischen Siluminen hängen hauptsächlich von der Form des eutektischen Siliziums und der Mehrkomponenten-Eutektika ab, die die Form „chinesischer Schriftzeichen“ haben. Die Arbeit präsentiert die Ergebnisse der Modifizierung von Legierungen des A!-B1-Cu-Md-2n-Systems mit Partikeln aus TiN-Titannitriden mit einer Größe von weniger als 0,5 Mikrometern. Eine Untersuchung der Mikrostruktur ergab, dass sich Titannitrid in der Aluminiummatrix, entlang der Korngrenzen, in der Nähe von Siliziumwafern und innerhalb eisenhaltiger Phasen befindet. Der Mechanismus des Einflusses dispergierter TiN-Partikel auf die Bildung der Struktur untereutektischer Silumine während der Kristallisation besteht darin, dass der Großteil von ihnen durch die Kristallisationsfront in die flüssige Phase gedrückt wird und an der Zerkleinerung der eutektischen Komponenten der Legierung teilnimmt. Berechnungen ergaben, dass bei der Verwendung
Tabelle 1 – Chemische Zusammensetzung
Legierungssorte Massenanteil der Elemente, %
À1 Si Mg Mn Cu Zn Sb Fe
AL2 Basis 10-13 0,1 0,5 0,6 0,3 - 1,0
AL4 8,0–10,5 0,17–0,35 0,2–0,5 0,3 0,3–1,0
AL4S 8,0–10,5 0,17–0,35 0,2–0,5 0,3 0,3 0,10–0,25 0,9
© N. E. Kalinina, V. P. Beloyartseva, O. A. Kavac 2006
Bildung von Titannitridpartikeln mit einer Größe von 0,1–0,3 Mikrometern und wenn ihr Gehalt im Metall etwa 0,015 Gew.-% beträgt. die Partikelverteilung betrug 0,1 µm-3.
In der Veröffentlichung wird die Modifikation der AK7-Legierung mit dispergierten feuerfesten Partikeln aus Siliziumnitriden 813^ diskutiert, wodurch die folgenden mechanischen Eigenschaften erreicht werden: stB = 350-370 MPa; 8 = 3,2–3,4 %; HB = 1180-1190 MPa. Beim Einbringen von Titannitridpartikeln in die AK7-Legierung in einer Menge von 0,01–0,02 Gew.-%. Die temporäre Zugfestigkeit erhöht sich um 12,5–28 %, die relative Dehnung erhöht sich um das 1,3–2,4-fache im Vergleich zum unmodifizierten Zustand. Nach der Modifizierung der AL4-Legierung mit dispergierten Titannitridpartikeln stieg die Festigkeit der Legierung von 171 auf 213 MPa und die relative Dehnung stieg von 3 auf 6,1 %.
Die Qualität von Gießereizusammensetzungen und die Möglichkeit ihrer Herstellung hängen von einer Reihe von Parametern ab, nämlich: der Benetzbarkeit der dispergierten Phase durch die Schmelze, der Art der dispergierten Partikel, der Temperatur des dispergierten Mediums und den Mischmodi des Metalls beim Einbringen von Partikeln schmelzen. Eine gute Benetzbarkeit der dispersen Phase wird insbesondere durch die Einbringung oberflächenaktiver Metallzusätze erreicht. In dieser Arbeit untersuchten wir die Wirkung von Zusätzen aus Silizium, Magnesium, Antimon, Zink und Kupfer auf die Assimilation von Siliziumkarbidpartikeln der Fraktion bis zu 1 Mikrometer durch flüssiges Aluminium der Güteklasse A7. BYU-Pulver wurde durch mechanisches Mischen bei einer Schmelztemperatur von 760 ± 10 °C in die Schmelze eingebracht. Die Menge des eingebrachten Aluminiums betrug 0,5 Gew.-% flüssiges Aluminium.
Antimon beeinträchtigt die Aufnahme verabreichter BYU-Partikel etwas. Elemente, die Legierungen eutektischer Zusammensetzung (B1, 2p, Cu) mit Aluminium bilden, verbessern die Absorption. Dieser Effekt hängt offenbar nicht so sehr mit der Oberflächenspannung der Schmelze zusammen, sondern mit der Benetzbarkeit der SC-Partikel durch die Schmelze.
Im Staatsbetrieb PA „Yuzhny Mashinostroitelny Zavod“ wurde eine Reihe experimenteller Schmelzen der Aluminiumlegierungen AL2, AL4 und AL4S durchgeführt, in die Pulvermodifikatoren eingebracht wurden. Das Schmelzen erfolgte in einem SAN-0,5-Induktionsofen mit Gießen in Edelstahlformen. Die Mikrostruktur der AL4S-Legierung vor der Modifikation besteht aus groben Dendriten der α-Mischkristalllösung von Aluminium und dem α(D!)+B1-Eutektikum. Modifikation mit Siliziumkarbid BS
ermöglichte es, die Dendriten der a-festen Lösung deutlich zu verfeinern und die Dispersion des Eutektikums zu erhöhen (Abb. 1 und Abb. 2).
Die mechanischen Eigenschaften von AL2- und AL4S-Legierungen vor und nach der Modifikation sind in der Tabelle dargestellt. 2.
Reis. 1. Mikrostruktur der AL4S-Legierung vor der Modifikation, x150
Reis. 2. Mikrostruktur der AL4S-Legierung nach Modifikation B1S, x150
Tabelle 2 – Mechanische Eigenschaften
Legierungssorte Gießverfahren Art der Wärmebehandlung<зВ, МПа аТ, МПа 8 , % НВ
AL2 Chill T2 147 117 3,0 500
AL2, modifiziert 8Yu Chill 157 123 3,5 520
AL4S Chill T6 235 180 3,0 700
AL4S, modifiziert 8Yu Chill 247 194 3,4 720
In dieser Arbeit wurde der Einfluss der Temperatur auf den Grad der Assimilation der feuerfesten Partikel T1C und B1C untersucht. Es wurde festgestellt, dass sich der Grad der Aufnahme von Pulverpartikeln durch die AL4S-Schmelze stark mit der Temperatur ändert. In allen Fällen wurde die maximale Absorption bei einer für eine bestimmte Legierung spezifischen Temperatur beobachtet. Somit wurde die maximale Assimilation von Tiu-Partikeln bei der Schmelztemperatur erreicht
700......720 °C, bei 680 °C nimmt die Absorption ab. Bei
Bei einem Temperaturanstieg auf 780...790 °C sinkt die Aufnahme von TI um das 3...5-fache und nimmt bei weiterem Temperaturanstieg weiter ab. Eine ähnliche Abhängigkeit der Assimilation von der Schmelztemperatur wurde für BU ermittelt, das bei 770 °C ein Maximum aufweist. Charakteristisch für alle Abhängigkeiten ist ein starker Abfall der Absorption beim Eintritt in den Zweiphasenbereich des Kristallisationsintervalls.
Durch Rühren wird eine gleichmäßige Verteilung der dispergierten Siliziumkarbidpartikel in der Schmelze gewährleistet. Mit zunehmender Mischzeit verschlechtert sich der Absorptionsgrad dispergierter Partikel. Dies weist darauf hin, dass die zunächst von der Schmelze aufgenommenen Partikel anschließend teilweise aus der Schmelze entfernt werden. Vermutlich kann dieses Phänomen durch die Wirkung von Zentrifugalkräften erklärt werden, die dispergierte Fremdpartikel, in diesem Fall BS, in Richtung der Wände des Tiegels drücken und sie dann an die Oberfläche der Schmelze bringen. Daher wurde während des Schmelzens das Rühren nicht kontinuierlich durchgeführt, sondern in regelmäßigen Abständen wieder aufgenommen, bevor Metallportionen aus dem Ofen entnommen wurden.
Die mechanischen Eigenschaften von Siluminen werden maßgeblich von der Partikelgröße des eingebrachten Modifikators beeinflusst. Die mechanische Festigkeit der Gusslegierungen AL2, AL4 und AL4S steigt linear mit abnehmender Partikelgröße der Pulvermodifikatoren.
Als Ergebnis des Theoretischen und Experimentellen
Experimentelle Studien haben technologische Verfahren zur Herstellung hochwertiger Aluminiumgusslegierungen entwickelt, die mit feuerfesten Pulverpartikeln modifiziert sind.
Studien haben gezeigt, dass beim Einbringen dispergierter Siliziumkarbidpartikel in die Aluminiumlegierungen AL2, AL4, AL4S die Struktur von Siluminen verändert wird, primäres und eutektisches Silizium zerkleinert wird und eine kompaktere Form annimmt, die Korngröße der a-festen Lösung von Aluminium nimmt ab, was zu einer Erhöhung der Festigkeitseigenschaften modifizierter Legierungen um 5-7 % führt.
Referenzliste
1. Fridlyander I.N. Metallurgie von Aluminium und seinen Legierungen. - M.: Metallurgie, 1983. -522 S.
2. Kruschenko G.G. Modifikation von Aluminium-Silizium-Legierungen mit pulverförmigen Additiven // Materialien der II. All-Union-Wissenschaftskonferenz „Bildungsmuster der Struktur eutektischer Legierungen“. - Dnepropetrowsk, 1982. - S. 137-138.
3. Mikhalenkov K.V. Bildung der Struktur von Aluminium mit dispergierten Titannitridpartikeln // Gießverfahren. - 2001. -№1.- S. 40-47.
4. Chernega D.F. Der Einfluss dispergierter feuerfester Partikel in der Schmelze auf die Kristallisation von Aluminium und Silumin // Gießereiproduktion, 2002. - Nr. 12. - S. 6-8.
Eingegangen beim Herausgeber am 6. Mai 2006.
Die Infusion des dispergierten feuerfesten Modifikators1v in die Struktur dieses Kraft-Ostens ist gegeben! Livarnyh aluminium1n1evih legierung1v. Die technologische Modifizierung der Aluminiumlegierung im Al-Si-Mg-System wurde mit einem Pulvermodifikator aus Siliziumcarb1d vervollständigt.
Der Einfluss feiner feuerfester Modifikatoren auf Struktur und Eigenschaften von Gussaluminiumlegierungen wird dargelegt. Es wird eine Technologie zur Modifizierung von Aluminiumlegierungen des Al-Si-Mg-Systems mit dem Pulvermodifikator Siliziumkarbid entwickelt.
Einige Legierungen weisen während der normalen Kristallisation aufgrund der Bildung einer rauen, grobkörnigen Makro- oder Mikrostruktur verringerte mechanische Eigenschaften in Gussteilen auf. Dieser Nachteil wird beseitigt, indem der Schmelze vor dem Gießen kleine Zusätze speziell ausgewählter Elemente, sogenannte Modifikatoren, zugesetzt werden.
Unter Modifikation (Modifikation) versteht man den Vorgang des Einbringens von Zusatzstoffen in flüssiges Metall, die, ohne die chemische Zusammensetzung der Legierung wesentlich zu verändern, Kristallisationsprozesse beeinflussen, das Gefüge verfeinern und die Eigenschaften des Gussmaterials deutlich verbessern. Modifizierende Additive können entweder die Makrokörnung oder Mikrostruktur verfeinern oder beide Eigenschaften gleichzeitig beeinflussen. Zu den Modifikatoren gehören auch spezielle Additive, die Metallen zugesetzt werden, um unerwünschte schmelzbare Bestandteile in feuerfeste und weniger schädliche Verbindungen umzuwandeln. Ein klassisches Beispiel für die Modifizierung ist die Modifizierung von untereutektischen (bis zu 9 % Si) und eutektischen (10–14 % Si) Siluminen mit Natriumzusätzen in einer Menge von 0,001–0,1 %.
Das Gussgefüge unmodifizierter Silumine besteht aus Dendriten eines α-Mischkristalls und Eutektikums (α + Si), in dem Silizium eine raue, nadelartige Struktur aufweist. Daher weisen diese Legierungen geringe Eigenschaften, insbesondere Duktilität, auf.
Die Einführung kleiner Natriumzusätze in Silumine verfeinert die Freisetzung von Silizium im Eutektikum deutlich und macht die Dendritenzweige der α-Lösung dünner.
In diesem Fall erhöhen sich die mechanischen Eigenschaften deutlich, die Bearbeitbarkeit und die Anfälligkeit für Wärmebehandlung verbessern sich. Natrium wird vor dem Abgießen entweder in Form von Metallstücken oder mit Hilfe spezieller Natriumsalze in die Schmelze eingebracht, aus dem sich durch Austauschreaktionen der Salze mit dem Aluminium der Schmelze Natrium in das Metall umwandelt.
Derzeit werden für diese Zwecke sogenannte Universalflussmittel eingesetzt, die gleichzeitig eine läuternde, entgasende und modifizierende Wirkung auf das Metall ausüben. Bei der Beschreibung der Technologie zum Schmelzen von Aluminiumlegierungen werden die Zusammensetzungen der Flussmittel und die wichtigsten Verarbeitungsparameter ausführlich erläutert.
Die für die Modifizierung erforderliche Natriummenge hängt vom Siliziumgehalt im Silumin ab: Bei 8–10 % Si sind 0,01 % Na erforderlich, bei 11–13 % Si sind es 0,017–0,025 % Na. Übermäßige Na-Mengen (0,1-0,2 %) sind kontraindiziert, da es hierbei nicht zu einer Vermahlung, sondern im Gegenteil zu einer Vergröberung des Gefüges (Übermodifikation) und einer starken Verschlechterung der Eigenschaften kommt.
Der Modifikationseffekt bleibt erhalten, wenn es vor dem Gießen in Sandformen bis zu 15–20 Minuten und beim Gießen in Metallformen bis zu 40–60 Minuten lang gehalten wird, da Natrium bei längerem Halten verdampft. Die praktische Kontrolle der Modifikation erfolgt normalerweise durch das Auftreten eines Bruchs einer gegossenen zylindrischen Probe entlang eines Querschnitts, der der Dicke des Gussstücks entspricht. Ein gleichmäßiger, feinkörniger, gräulich-seidiger Bruch weist auf eine gute Modifikation hin, während ein rauer Bruch (mit sichtbaren glänzenden Siliziumkristallen) auf eine unzureichende Modifikation hinweist. Beim Gießen von Siluminen mit bis zu 8 % Si in Metallformen, die eine schnelle Kristallisation des Metalls fördern, ist die Zugabe von Natrium nicht erforderlich (oder wird in geringeren Mengen eingeführt), da unter solchen Bedingungen die Struktur feinkörnig und ohne a ist Modifikator.
Übereutektische Silumine (14–25 % Si) werden mit Phosphorzusätzen (0,001–0,003 %) modifiziert, die gleichzeitig die primäre Ausscheidung von freiem Silizium und Silizium im Eutektikum (α + Si) verfeinern. Beim Gießen ist jedoch zu berücksichtigen, dass Natrium der Schmelze auch einige negative Eigenschaften verleiht. Die Modifikation führt zu einer Verringerung der Fließfähigkeit der Legierungen (um 5-30 %). Natrium erhöht die Tendenz von Siluminen zur Gassättigung, was dazu führt, dass die Schmelze mit der Feuchtigkeit der Form interagiert, was es schwierig macht, dichte Gussteile zu erhalten. Aufgrund einer Änderung der Kristallisationsart des Eutektikums kommt es zu einer Änderung der Schrumpfung. Bei unmodifiziertem eutektischem Silumin äußert sich die Volumenschrumpfung in Form konzentrierter Schalen und in Gegenwart von Natrium in Form feiner verstreuter Porosität, was die Herstellung dichter Gussteile erschwert. Daher ist es in der Praxis notwendig, die minimal erforderliche Menge an Modifikator in Silumin einzubringen.
Ein Beispiel für die Verfeinerung des primären Makrokorns (Makrostruktur) von Legierungen durch Additive ist die Modifizierung von Magnesiumlegierungen. Die übliche unmodifizierte Gussstruktur dieser Legierungen ist grobkörnig mit reduzierten (10–15 %) mechanischen Eigenschaften. Die Modifikation der Legierungen ML3, ML4, ML5 und ML6 erfolgt durch Überhitzen der Legierung, Behandlung mit Eisenchlorid oder kohlenstoffhaltigen Materialien. Am gebräuchlichsten ist die Modifizierung mit kohlenstoffhaltigen Zusätzen – Magnesit oder Calciumcarbonat (Kreide). Beim Modifizieren einer Legierung wird Kreide oder Marmor (Kreide in Form eines trockenen Pulvers und Marmor in Form kleiner Krümel in einer Menge von 0,5 bis 0,6 % der Masse der Charge) in die auf 750 °C erhitzte Schmelze eingebracht. 760 mittels Glocke in zwei oder drei Schritten °.
Unter Temperatureinfluss zersetzt sich Kreide oder Marmor je nach Reaktion
CaCO 3 → CaO + CO 2
Das freigesetzte CO2 reagiert reaktionsgemäß mit Magnesium
3Mg + CO 2 → MgO + Mg(C) .
Es wird angenommen, dass der freigesetzte Kohlenstoff oder die Magnesiumcarbide die Kristallisation aus vielen Zentren erleichtern und so zu einer Kornverfeinerung führen.
Die Praxis der Verwendung von Modifikatoren bei anderen Legierungen hat gezeigt, dass eine Verbesserung der Eigenschaften durch Schleifen des gegossenen Primärkorns nur dann zu beobachten ist, wenn gleichzeitig die Mikrostruktur der Legierung verfeinert wird, da Form und Anzahl der Komponenten der Mikrostruktur maßgeblich die Festigkeit bestimmen Eigenschaften des Materials. Der Einfluss von Modifikatoren hängt von ihren Eigenschaften und ihrer Menge, der Art der zu modifizierenden Legierungen und den Kdes Gussstücks ab. Beispielsweise führt die Zugabe von Zirkonium in einer Menge von 0,01–0,1 % zu Zinnbronze zu einer erheblichen Verfeinerung des Primärkorns der Legierung. Bei 0,01–0,02 % Zr erhöhen sich die mechanischen Eigenschaften von Zinnbronzen deutlich (für BrOC10-2 erhöhen sich θ b und δ um 10–15 %). Bei einer Erhöhung der Modifikatormenge über 0,05 % bleibt eine starke Verfeinerung des Makrokorns erhalten, allerdings nehmen die Eigenschaften aufgrund der Vergröberung der Mikrostruktur stark ab. Dieses Beispiel zeigt, dass jede Legierung über ihre eigenen optimalen Mengen an Modifikatoren verfügt, die sich positiv auf die Eigenschaften auswirken können, und dass jede Abweichung davon nicht den gewünschten positiven Effekt ergibt.
Die modifizierende Wirkung von Titanzusätzen auf verarbeitete Aluminiumlegierungen wie Duraluminium (D16) und andere tritt nur bei signifikanten Erstarrungsraten auf. Bei normalen Erstarrungsgeschwindigkeiten für das halbkontinuierliche Gießen von Barren verfeinern beispielsweise titanmodifizierende Additive das Gusskorn, verändern jedoch nicht seine innere Struktur (die Dicke der Dendritenachsen) und beeinflussen letztendlich nicht die mechanischen Eigenschaften. Dennoch wird ein Titanzusatz verwendet, da das feinkörnige Gussgefüge die Neigung der Legierung zur Rissbildung beim Gießen verringert. Diese Beispiele zeigen, dass der Name „Modifikation“ nicht als allgemeine Steigerung der Eigenschaften eines Materials verstanden werden kann. Die Modifizierung ist eine spezifische Maßnahme zur Beseitigung des einen oder anderen ungünstigen Faktors, abhängig von der Art der Legierung und den Gussbedingungen.
Die ungleiche Wirkung kleiner Zusätze von Modifikatoren auf die Struktur und Eigenschaften verschiedener Legierungen und der Einfluss vieler äußerer Faktoren auf den Modifizierungsprozess erklären in gewissem Maße das Fehlen einer allgemein anerkannten einheitlichen Erklärung für die Wirkung von Modifikatoren derzeit . Beispielsweise lassen sich bestehende Theorien zur Modifikation von Siluminen in zwei Hauptgruppen einteilen: Der Modifikator verändert entweder die Keimbildung oder die Entwicklung von Siliziumkristallen im Eutektikum.
In den Theorien der ersten Gruppe wird davon ausgegangen, dass bei der Kristallisation aus der Schmelze freigesetzte Siliziumkeime durch die Adsorption von Natrium an ihrer Oberfläche bzw. an der Oberfläche von Primäraluminiumkristallen desaktiviert werden. Die Theorien der zweiten Gruppe berücksichtigen die sehr geringe Löslichkeit von Natrium in Aluminium und Silizium. Es wird angenommen, dass sich dadurch beim Erstarren des Eutektikums Natrium in der die Siliziumkristalle umgebenden Flüssigkeitsschicht anreichert und dadurch deren Wachstum durch Unterkühlung behindert. Es wurde festgestellt, dass in der modifizierten Legierung das Eutektikum um 14–33° unterkühlt ist. In diesem Fall verschiebt sich der eutektische Punkt von 11,7 % auf 13–15 % Si. Allerdings ist der Schmelzpunkt des Eutektikums beim Erhitzen nach der Kristallisation in der modifizierten und unmodifizierten Legierung gleich. Dies deutet darauf hin, dass eine echte Unterkühlung stattfindet und nicht nur eine einfache Absenkung des Schmelzpunkts durch die Zugabe eines Modifikators. Tatsächlich deuten die Tatsachen des Mahlens von Silumin-Eutektikum beim Kokillenguss und der schnellen Abkühlung darauf hin, dass dies nur eine Folge einer zunehmenden Unterkühlung und einer erhöhten Erstarrungsgeschwindigkeit sein kann, bei der die Diffusion von Silizium über große Entfernungen unmöglich ist. Durch die Unterkühlung schreitet die Kristallisation sehr schnell voran, aus vielen Zentren entsteht dadurch eine dispergierte Struktur.
In einigen Fällen wird angenommen, dass Natrium die Oberflächenenergie und Grenzflächenspannung an der Aluminium-Silizium-Grenzfläche verringert.
Die Modifizierung von Gusskörnern (Makro) ist mit der Bildung zahlreicher Kristallisationszentren in Form von feuerfesten Keimen in der Schmelze vor der Kristallisation oder zum Zeitpunkt der Kristallisation verbunden, die aus chemischen Verbindungen des Modifikators mit Legierungsbestandteilen bestehen und ähnliche Strukturgitterparameter aufweisen auf die Struktur der zu modifizierenden Legierung.
