Комплексное модифицирование вторичных силуминов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 6 (54)

МАТЕР1АЛОЗНАВСТВО

УДК 669.714:669.716

A. А. МИТЯЕВ1*, И. П. ВОЛЧОК2, Р. А. ФРОЛОВ3, К. Н. ЛОЗА4, О. В. ГНАТЕНКО5,

B. В. ЛУКИНОВ6

1 Каф. «Технология металлов», Запорожский национальный технический университет, ул. Жуковского, 64, Запорожье,

Украина, 69063, тел. +38 (061) 769 82 71, эл. почта [email protected], ОКСГО 0000-0001-9034-1359

2Каф. «Технология металлов», Запорожский национальный технический университет, ул. Жуковского, 64, Запорожье,

Украина, 69063, тел. +38 (061) 764 13 51, эл. почта [email protected], ОКСГО 0000-0003-1580-0556

3Каф. «Детали машин и подъемно-транспортные механизмы», Запорожский национальный технический университет,

ул. Жуковского, 64, Запорожье, Украина, 69063, тел. +38 (061) 764 12 73, эл. почта [email protected],

ОКСГО 0000-0001-9967-0220

4АО «Мотор Сич», ул. Моторостроителей, 15, Запорожье, Украина, 69068 тел. +38 (061) 720 48 83, эл. почта [email protected], ОКСГО 0000-0002-2713-5744

5АО «Мотор Сич», ул. Моторостроителей, 15, Запорожье, Украина, 69068 тел. +38 (061) 720 48 83 6АО «Мотор Сич», ул. Моторостроителей, 15, Запорожье, Украина, 69068 тел. +38 (061) 720 48 83

КОМПЛЕКСНОЕ МОДИФИЦИРОВАНИЕ ВТОРИЧНЫХ СИЛУМИНОВ

Цель. В работе необходимо разработать научно-технологические основы формирования заданной структуры вторичных доэвтектических (АК8М3) и эвтектических (АК12М2МгН) силуминов и повышения показателей их механических и служебных свойств в литом состоянии и после термообработки до уровня первичных сплавов. Методика. Определение химического состава проводили спектральным анализом на искровом спектрометре «8РБСТКОЬЛБ» (Германия). Металлографический анализ выполняли на микроскопах МИМ-7 и МИМ-8, а также методом металлографии высокого разрешения на растровом электронном микроскопе «18МТ-300» (Япония). Термообработку алюминиевых сплавов проводили по режимам Т1 и Т5 в соответствии с ДСТУ 2839-94 (ГОСТ 1583-93). При определении механических свойств использовали стандартные методики. Для поршневого сплава АК12М2МгН (АЛ25) температурный коэффициент линейного расширения определяли с помощью оптического кварцевого дилатометра Шевенара на образцах 0 3,5 мм длиной 50 мм. Сопротивление высокотемпературному разрушению определяли по ГОСТ 10145-81, как время до разрушения образца при заданном напряжении 50 МПа и температуре 300 °С. Результаты. Разработана и внедрена в производство технология получения сплавов из шихты, состоящей на 100 % из лома и отходов производства, которая обеспечивает получение металла гарантированного химического состава и высокого качества при снижении энергозатрат на плавку. Научная новизна. Установлены закономерности формирования структурно-фазового состояния и уровня физико-механических свойств вторичных доэвтектических и эвтектических силуминов в зависимости от процессов рафинирования и модифицирования. Проведено обобщение закономерностей разрушения вторичных силуминов и получены количественные характеристики роли интерметаллидных фаз в механизмах разрушения и формировании уровня механических свойств алюминиевых сплавов. Практическая значимость. Изучены процессы структурообразования вторичных алюминиевых сплавов в зависимости от технологии их получения. Разработаны высокоэффективные рафи-нирующе-модифицирующие комплексы для обработки вторичных доэвтектических и эвтектических алюминиевых сплавов и определено оптимальное количество модификаторов в зависимости от качества шихты.

Ключевые слова: силумины; интерметаллидные фазы; структура; параметр формы; механические свойства; рафинирующе-модифицирующая обработка

Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 6 (54)

Введение

Известно, что модифицированием называется процесс воздействия на кристаллизацию и структуру сплава путем введения специальных добавок - модификаторов. П. А. Ребиндер все модифицирующие добавки по физико-химической природе их воздействия на процесс образования кристаллических зародышей разделил на модификаторы I и II рода. Модификаторы I рода образуют в расплаве высокодисперсные твердые частички, которые формируют центры кристаллизации. Модификаторы II рода - растворимые вещества, избирательно адсорбирующиеся на гранях кристаллического зародыша, изменяющие межфазное поверхностное натяжение и характер роста кристаллов [2].

При производстве и литье алюминиевых сплавов широко применяется модифицирование. Модифицирующие добавки вводят в виде лигатуры в шихту или непосредственно в расплав. К числу модификаторов I рода алюминиевых сплавов следует отнести титан и ванадий, образующие тугоплавкие интерметаллиды Т1Л13 и УЛ16, а также ультрадисперсные частицы оксидов, карбидов, боридов и других неметаллических включений. Модификаторами II рода являются поверхностно-активные вещества, положительно влияющие на структуру алюминиевых сплавов, большинство из которых являются элементами I группы (Ы, К, ЯЬ, С8), а также сера и фосфор. В то же время многочисленными проведенными исследованиями показана высокая эффективность комплексных модификаторов. В связи с этим работа посвящена изучению комплексного модифицирования доэвтектиче-ских и эвтектических вторичных силуминов.

Цель

Основная цель работы заключалась в разработке научно-технологических основ структу-рообразования вторичных силуминов для повышения показателей их механических и служебных свойств в литом и термообработанном состояниях до уровня первичных сплавов.

Методика

В работе исследовались доэвтектические АК8М3 и эвтектические АК12М2МгН (АЛ25) сплавы, химический состав которых соответствовал требованиям ДСТУ 2839-94 (ГОСТ 1583-93).

Контроль химического состава проводился непрерывно на всех стадиях технологического процесса получения алюминиевых сплавов. Определение химического состава осуществляли спектральным анализом на искровом спектрометре «SPECTROLAB» (Германия) по 22 химическим элементам с точностью ± 0,0001 масс. %. Металлографический анализ структуры выполняли на микроскопах МИМ-7 и МИМ-8 при увеличении 100... 400 раз, а также методом металлографии высокого разрешения на растровом электронном микроскопе «JSMT-300» (Япония) при ускоряющем напряжении 20.25 кВ и диаметре электронного зонда до 1 • 10-9 м. Микроструктура сплавов изучалась на шлифах без травления, а также после травления реактивом состава: 12,5 мл HF, 25 мл HNO3, 50 мл HCl, 12,5 мл H2O.

Прочность и пластичность сплавов определяли на образцах диаметром 10 мм и рабочей длиной 50 мм, изготовленных в соответствии с ДСТУ 2839-94 (ГОСТ 1583-93). Метод отбора образцов и порядок проведения испытаний на твердость регламентировался требованиями ГОСТ 9013-69. Термообработку алюминиевых сплавов проводили по режимам Т1 и Т5 в соответствии с ДСТУ 2839-94 (ГОСТ 1583-93).

Для поршневого сплава АК12М2МгН (АЛ25) температурный коэффициент линейного расширения определяли с помощью оптического кварцевого дилатометра Шевенара на образцах 0 3,5 мм длиной 50 мм. Сопротивление высокотемпературному разрушению определяли по ГОСТ 10145-81, как время до разрушения образца при заданном напряжении 50 МПа и температуре 300°С.

Результаты

Основным ограничительным фактором широкого использования вторичных сплавов является их более низкое качество в сравнении с первичными. Процесс переработки отходов производства и содержащего алюминий лома позволяет сберечь огромное количество энергии и первичного сырья. Так, при получении 1 т вторичного алюминия сохраняется 4 т бокситов, 700 кг кокса и снижаются вредные выбросы (в том числе СО) на 35 кг [5]. По данным [1], в результате использования 1 тонны высококачественных вторичных алюминиевых сплавов при изготовлении отливок взамен первич-

Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 6 (54)

ного алюминия, в народном хозяйстве экономится в зависимости от марки сплава и области его применения от 230 до 490 кг первичного алюминия, от 24 до 197 кг кристаллического кремния, от 1,1 до 4,6 т бокситов, от 0,4 до 1,8 т глинозема, а также от 4 до 16 тысяч кВтч электроэнергии и от 40 до 340 кг условного топлива. Количество отходящих газов при этом сокращается более чем на 15 тысяч м3 в расчете на каждую тонну вторичного силумина.

Проблема повышения качества алюминиевых сплавов актуальна для всех развитых стран [9, 17-18, 20-21].

Авторами с целью улучшения структуры, повышения механических и служебных свойств, снижения пористости, на основании лаборатор-

ных и опытно-промышленных исследований в качестве базового для доэвтектических силуминов был предложен модификатор [12], содержащий элементы, выполняющие роль модификаторов I и II рода. В состав модификатора вошли сера, карбонат натрия, ультрадисперсный карбид кремния и электролитический титан. Соотношение компонентов и описание влияния каждого из них на расплав подробно изложены в работах [3, 4, 10, 12, 16, 19].

Промышленные плавки показали, что обработка расплавов модификатором [12] сопровождалась активным барботажем жидкого металла, образованием на поверхности сухого легко удаляемого шлака.

Рис. 1. Структура вторичного сплава АК8М3 (х 200) Fig. 1. Structure of the secondary alloy АК8М3 (х 200)

Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 6 (54)

Длительность процесса обработки зависела от объемов жидкого металла и составляла 7.12 минут. В ходе обработки отмечено активное изменение структуры, которое сопровождалось уменьшением размеров полей выделений а-твердого раствора кремния в алюминии и дроблением комплексных интерметаллидных фаз, снижением их среднего параметра формы Хср (отношение максимальной длины включений к их ширине) при одновременном повышении равномерности распределения (рис. 1).

На примере вторичного сплава АК8МЗ установлены зависимости влияния количества модификатора [12] на свойства и параметр формы включений в литом состоянии и после термической обработки по режиму Т5 (рис. 2). Полученные данные позволили оптимизировать количество модификатора [12] на уровне 0,05.0,075 % от массы жидкого металла. Также результаты работы наглядно продемонстрировали важную роль параметра формы включений X в обеспечении заданного уровня свойств вторичных силуминов (рис. 3). Результаты исследований взятого за основу модифицирующего комплекса [12] позволили в дальнейшем разработать целый ряд высокоэффективных рафинирующе-модифици-рующих комплексов для обработки алюминиевых сплавов, полученных из низкосортного сырья [3, 11, 13, 14, 15, 16].

Малая плотность алюминиевых сплавов, высокие технологичность, пластичность и усталостная прочность; до 30 % меньший, по сравнению с чугуном, коэффициент передачи от газа, а также высокая теплопроводность на уровне 125. 146 Вт/мК сделали их основными поршневыми материалами современности [7].

В настоящее время наиболее широкое применение для изготовления поршней как у нас, так и за рубежом получили литейные сплавы системы алюминий-кремний эвтектического и завэвтектического состава.

Эвтектические поршневые сплавы имеют высокую жидкотекучесть и в 2 раза более низкую склонность к образованию горячих трещин, чем доэвтектические алюминиевые сплавы. За счет их меньшего температурного коэффициента линейного расширения возможно снижение максимального зазора между гильзой цилиндра и поршнем на 25 %, что обеспечивает снижение вибраций и практически полностью устраняет кавитационное разрушение гильз.

б — b

КС, КДж/|-Г

/

/ <

> 1 ¡-/=—

—1

0,025

0,05

0/075

0,1

Количество модификатора/ масс.%

»

ч< \ ч

ч ч *** --вг J jt

" 1 г---*

кол

:5 0,05 0,075

ичестзо модификатора, масс.

°/о

Рис. 2. Влияние модификатора на механические свойства (а) и параметр формы включений X (б) вторичного сплава АК8М3:

1 - литое состояние, 2 - после термообработки Т5

Fig. 2. Modifier's influence on the mechanical properties (a) and shape parameter X (b) of the secondary alloy АК8М3: 1 - cast state, 2 - after heat treatment T5

а — a

Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального унiверситету залiзничного транспорту, 2014, № 6 (54)

а — a

üjMfla

б - b

170 А Л

0 НИВ "■С

15Ü 140 130 120 110 "Sr.

-ж

Св МПа

200

5, %

1,0

0,9

Oß

0,7

0,6

1,2 V ч

*

1.0 0,9 0,8 0 7 * ч ч

ч ч ч

ч ч V л»-

А ч V

4V HRB ч

ч ч Чь

HR.B 60

< Ч^ ч

ч 2s ч ч

ч А4 v КС ч

ч ч А ч

0_yN

КС, КДж/м' 100

60

40

1 2 3 4 5 б Я

Рис. 3. Влияние параметра формы включений X на механические свойства вторичного сплава АК8М3: а - литое состояние, б - после термообработки Т5

Fig. 3. Shape parameter's X influence on the mechanical properties of the secondary alloy АК8М3: a - cast state, b - after heat treatment T5 Малая плотность эвтектических сплавов позволяет уменьшить массу поршня и уровень инерционных нагрузок на кривошипно-шатунный механизм на 6.. .8 % [8].

Подходы, разработанные авторами в отношении доэвтектических силуминов, были пере-

несены на эвтектическии вторичныи поршневой сплав АЛ25 (АК12М2МгН). Целью работы было получение стабильной структуры и повышение показателей длительной прочности при высоких температурах, а также снижение температурного коэффициента линейного расширения. Для достижения поставленной цели был разработан модифицирующий комплекс [14]. Использование данного комплекса обеспечило измельчение макроструктуры поршней (рис. 4), а также получение заданной микроструктуры каркасного типа, которая надежно блокировала границы измельченных зерен а-твердого раствора кремния в алюминии, тем самым эффективно препятствуя диффузионным процессам и движению дислокаций (рис. 5).

Механические свойства вторичных сплавов, обработанных модифицирующим комплексом [14] соответствовали требованиям ДСТУ 283994 (ГОСТ 1583-93).

б - b

Рис. 4. Макроструктура поршней (х 5): а - серийная технология изготовления; б - экспериментальная

Fig. 4. Macrostructure of pistons (х 5): - serial technology of production; b - experimental

а — а

a

Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 6 (54)

б — b

Рис. 5. Микроструктура сплава АЛ25 (х 950):

а - серийная технология изготовления; б - экспериментальная

Fig. 5. Microstructure of the alloy AL25 (х 950):

a - serial technology of production; b - experimental

Важнейшим эксплуатационным свойством, определяющим ресурс работы изделий из поршневых сплавов, является жаропрочность. Одним из основных показателей жаропрочности является длительная прочность, испытания по определению которой регламентируются ГОСТ 10145-81 [6] посредством определения времени до разрушения образцов при температуре испытаний 300 °С и заданном напряжении 50 МПа. Сравнение результатов показало, что по характеристикам длительной прочности сплавы, обработанные модифицирующим комплексом [14], в 2,4 раза превосходили показатель сплавов, полученных по традиционной технологии. Установлено, что оптимальным количеством модифицирующего комплекса [14] является присадка 0,15.0,20 масс. %, которая в диапазоне рабочих температур обеспечивала снижение температурного коэффициента линейного расширения на 5,60.5,75 %.

Научная новизна и практическая значимость

Установлены закономерности формирования структурно-фазового состояния и уровня физи-

ко-механических свойств вторичных доэвтекти-ческих и эвтектических силуминов в зависимости от процессов рафинирования и модифицирования. Проведено обобщение закономерностей разрушения вторичных силуминов и получены количественные характеристики роли ин-терметаллидных фаз в механизмах разрушения и формировании уровня механических свойств алюминиевых сплавов.

Анализ процессов структурообразования и формирования уровня физико-механических свойств доэвтектических и эвтектических вторичных силуминов способствовал разработке комплексных рафинирующе-модифицирующих комплексов, а также технологии их использования, обеспечивающей повышение свойств вторичных сплавов до уровня первичных. Проведенная работа позволила определить оптимальное количество рафинирующе-модифици-рующих комплексов в зависимости от качества шихты. Высокая эффективность предложенных технологических решений доказана промышленным внедрением.

Выводы

Показано, что повышение качества силуминов, полученных из 100 % вторичного сырья, до уровня первичных, возможно за счет использования экспериментальных рафинирующе-моди-фицирующих комплексов. Разработанные комплексы имеют малую стоимость, не усложняют технологию получения сплавов, уменьшают количество вредных выбросов в окружающую среду и улучшают санитарно-гигиенические нормы в литейных цехах, сокращают потребность в универсальных рафинирующе-модифи-цирующих препаратах в 10.15 раз.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Алексахин А. В. Эффективность использования вторичных алюминиевых сплавов в литейном производстве / А. В. Алексахин, Н. В. Хмельницкая, Е. К. Сиваева // Экономические проблемы литейного производства России : тез. докл. Всерос. конф. - Пенза, 1991. - С. 52-54.

2. Воздвиженский, В. М. Литейные сплавы и технология их плавки в машиностроении / В. М. Воздвиженский, В. А. Грачев, В. В. Спасский. - Москва : Машиностроение, 1984. - 432 с.

а — a

3. Волчок, И. П. Повышение качества рециркули-руемых алюминиевых сплавов / И. П. Волчок, А. А. Митяев // Вюн. двигунобудування. -2004. - № 3. - С. 103-107.

4. Волчок, I. П. Рафшуюче-модиф^ючий комплекс для обробки алюмшевих сплавiв / I. П. Волчок, О. А. Милев, С. Г. Рязанов // Неметалевi вкраплення i гази у ливарних сплавах : зб. наук. пр. Х Мiжнар. науково-техн. конф. (12.05-16.05.2003) / ЗНТУ. - Запор1жжя : 2003. - С. 220.

5. Гавриленко, Б. Б. Економiко-правовi важелi рацюнального природокористування / Б. Б. Гавриленко. - Запор1жжя : Полнраф, 2004. - 144 с.

6. ГОСТ 10145-81. Металлы. Метод испытания на длительную прочность. - Введ. 1982-07-01. -Москва : Изд-во стандартов, 1981. - 12 с.

7. Зильберг, Ю. Я. Алюминиевые сплавы в тракторостроении / Ю. Я. Зильберг, К. М. Хрущо-ва, Г. Б. Гершман. - Москва : Машиностроение, 1971. - 151 с.

8. Лоза, К. Н. Влияние модифицирования и термической обработки на формирование структуры и свойств вторичного поршневого сплава АЛ25 : дис. ... канд. техн. наук : 05.02.01 / Лоза Константин Николаевич ; Запорожский национальный технический университет. - Запорожье, 2012. - 140 с. - Библиогр.: с. 108-122.

9. Лютова, О. В. Повышение литейных свойств вторичных алюминиевых сплавов / О. В. Лю-това // Наука та прогресс трансп. Вюн. Дншропетр. нац. ун-ту залiзн. трансп. - 2013. -№ 3 (45). - С. 53-59.

10. Митяев, А. А. Комплексная рафинирующе-мо-дифицирующая обработка алюминиевых сплавов / А. А. Митяев // Стр-во, материаловедение, машиностроение : сб. науч. тр. - Днепропетровск, 2008. - Вып. 45 (ч. 2). - С. 138-142.

11. Митяев, А. А. Повышение качества переплава загрязненной алюминиевой стружки / А. А. Митяев // Вюн. Дншропетр. нац. ун-ту залiзн. трансп. iм. акад. В. Лазаряна. - Дшпропет-ровськ, 2008. - Вип. 22. - С. 175-180.

12. Пат. 57584А Украша, МКВ С22С 1/06. Модифшатор для алюмшевих сплаив / Волчок I. П., Мияев О. А. (Украша) ; заявник та патен-товласник Запорiзький Запорiзький нац. техн. ун-т. - № 2002108343 ; заявл. 22.10.2002 ; опубл. 16.06.2003, Бюл. № 6. - 4 с.

13. Пат. 42653 Украша, МПК (2009) С22С 1/100. Модифжатор алюмшевих сплашв / Волчок I. П., Мияев О. А., Островська А. £., Скуйбща О. Л.

Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нащонального ушверситету зашзничного транспорту, 2014, № 6 (54)

(Украша) ; заявник та патентовласник Запо-р1зький Запор1зький нац. техн. ун-т. -№ u200902454 ; заявл. 19.03.2009 ; опубл. 10.07.2009, Бюл. № 13. - 4 с.

14. Пат. 46094 Украша, МПК (2009) С22С 1/00. Модифшувальний комплекс для алюмшевих сплав1в / Лоза К. М., Мияев О. А., Волчок I. П. (Украша) ; заявник та патентовласник Запо-р1зький Запор1зький нац. техн. ун-т. -№ u200905914 ; заявл. 09.06.2009 ; опубл. 10.12.2009, Бюл. № 23. - 4 с.

15. Пат. 69720 Украша, МПК С22С 1/06 (2006.1). Рафшувально-модиф1кувальний комплекс для алюмшевих сплаив / Широкобокова Н. В., Мияев О. А., Волчок I. П., Кюрчев С. В., Колодш О. С. (Украша); заявник та патентовласник Запор1зький нац. техн. ун-т.-№ u201112705; заявл. 31.10.2011 ; опубл. 10.05.2012, Бюл. № 9. - 4 с.

16. Belikov, S. The nanomodifier of aluminium alloys / S. Belikov, I. Volchok, O. Mityayev // AFES. Davos Forum. - Davos, Switzerland, 2006. -P. 191-193.

17. Electric pulse treatment of welded joint of aluminum alloy / I. A. Vakulenko, Y. L. Nadezhdin, V. A. Sokirko, I. P. [et. al.] // Наука та прогрес трансп. Вюн. Дншропетр. нац. ун-ту залiзн. -2013. - № 4 (46). - С. 73-82.

18. Kontrola produkcji wysokojakosciowych stopow odlewniczych metoda ATD / S. Pietrowski, G. Gu-mienny, B. Pisarek, R. Wladysiak // Archiwum technologii maszyn i automatyzacji. - Poznan, 2004. - Vol. 24, № 3. - P.131-144.

19. Lipinski, T. Improvement of mechanical properties of AlSi7Mg alloy with fast cooling homogeneous modifier / T. Lipinski // Archives of foundry engineering. - Katowice ; Gliwice, 2008. -Vol. 8. - Iss. 1 - P. 85-88.

20. Mityayev, A. Improvement of quality of secondary aluminium alloys in conditions of mass production / A. Mityayev, S. Belikov // Archives of metallurgy and materials. - Warszawa : Krakow, 2007. - Vol. 52, № 3. - P. 521-524.

21. The structure and properties of sheets made from aluminium and aluminium alloys for use in transport industry / A. Klyszewski, M. Lech-Grega, W. Szymanski, J. Zelechowski // Aluminium in transport : рта of IX Intern. Conf. (22.1025.10.2003) / Institute of Non-ferrous metals. -Cracow ; Tomaszowice, 2003. - P. 203-217.

Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нащонального ушверситету зашзничного транспорту, 2014, № 6 (54)

О. А. М1ТЯСВ1*, I. П. ВОЛЧОК2, Р. О. ФРОЛОВ3, К. М. ЛОЗА4, О. В. ГНАТЕНКО5, В. В. ЛУКИОВ6

1 Каф. «Технолопя металiв», ЗапорiзькиИ нацюнальниИ техшчний ун1верситет, вул. Жуковського, 64, Запоршжя,

Украгна, 69063, тел. +38 (061) 769 82 71, ел. пошта [email protected], ОЯСГО 0000-0001-9034-1359

2Каф. «Технологш металш», ЗапорiзькиИ нацiональниИ технiчниИ утверситет, вул. Жуковського, 64, Запорiжжя,

Украша, 69063, тел. +38 (061) 769 83 51, ел. пошта [email protected], ОЯСГО 0000-0003-1580-0556

3Каф. «Детат машин i пiдИомно-транспортнi мехашзми», Заж^зький нацюнальниИ технiчниИ унiверситет,

вул. Жуковського, 64, Зат^жжя, Укра!на, 69063, тел. +38 (061) 769 82 73, ел. пошта [email protected],

ОЯСГО 0000-0001-9967-0220

4АТ «Мотор Сч», вул. Моторобудiвникiв, 15, Запорiжжя, Укра!на, 69068, тел. +38 (061) 720 48 83, ел. пошта [email protected], ОЯСГО 0000-0002-2713-5744

5АТ «Мотор Сч», вул. Моторобудiвникiв, 15, Запорiжжя, Укра!на, 69068, тел. +38 (061) 720 48 83 6АТ «Мотор <Сч», вул. Моторобудiвникiв, 15, Запорiжжя, Укра!на, 69068, тел. +38 (061) 720 48 83

КОМПЛЕКСНЕ МОДИФ1КУВАННЯ ВТОРИННИХ СИЛУМ1Н1В

Мета. В робот необхвдно розробити науково-технолопчш основи формування задано! структуры вто-ринних доевтектичних (АК8М3) та евтектичних (АК12М2МгН) силумiнiв та пвдвищення показнишв !х механiчних i службових властивостей у литому стан та тсля термообробки до рiвня первинних сплаыв. Методика. Визначення хiмiчного складу проводили спектральним аналiзом на iскровому спектрометрi «8РБСТКОЬАБ» (Нiмеччина). МеталографiчниИ аналiз виконували на мiкроскопах М1М-7 та М1М-8, а та-кож методом металографп високо! роздшьно! здатностi на растровому електронному мiкроскопi «18МТ-300» (Япошя). Термообробку алюмiнieвих сплавiв проводили за режимами Т1 i Т5 зпдно ДСТУ 2839-94 (ГОСТ 1583-93). При визначенш механiчних властивостей використовували стандартш методики. Для поршневого сплаву АК12М2МгН (АЛ25) температурний коефiцieнт лшшного розширення визначали за допо-могою оптичного кварцового дилатометра Шевенара на зразках 0 3,5 мм довжиною 50 мм. Отр високотем-пературному руйнуванню визначали зпдно ГОСТ 10145-81, як час до руйнування зразка при заданому на-пруженнi 50 МПа та температурi 300°С. Результата. Розроблено та впроваджено у виробництво технологш отримання сплавiв iз шихти, що складаеться на 100 % з лому та вiдходiв виробництва, яка забезпечуе отри-мання металу гарантованого хiмiчного складу та високо! якосп при зниженнi енерговитрат на плавку. Наукова новизна. Встановлено закономiрностi формування структурно-фазового стану та рiвня фiзико-механiчних властивостей вторинних доевтектичних та евтектичних силумшв в залежносп вiд процесiв ра-фiнування та модиф^вання. Проведено узагальнення закономiрностеИ руйнування вторинних силумшв та отримано шльшсш характеристики ролi iнтерметалiдних фаз у мехашзмах руйнування та формуваннi рiвня механiчних властивостей алюмiнiевих сплавiв. Практична значимкть. Вивчено процеси структуроутво-рення вторинних алюмшевих сплавiв в залежносп ввд технологi! !х отримання. Розроблено високоефектив-нi рафiнувально-модифiкувальнi комплекси для обробки вторинних доевтектичних та евтектичних алюмшь евих сплаыв та визначено оптимальну кшьшсть модифiкаторiв в залежносп вiд якостi шихти.

Ключовi слова: силумши; iнтерметалiднi фази; структура; параметр форми; мехашчш властивостi; рафiнувально-модифiкувальна обробка

Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 6 (54)

A. A. MITYAYEV1*, I. P. VOLCHOK2, R. A. FROLOV3, К. N. LOZA4, O. V. HNATENKO5, V. V. LUKINOV6

1 Dep. «Metal Technology», Zaporizhzhia National Technical University, Zhukovskyi St., 64, Zaporizhzhia, Ukraine, 69063, tel. +38 (061) 769 82 71, e-mail [email protected], ORCID 0000-0001-9034-1359

2Dep. «Metal Technology», Zaporizhzhia National Technical University, Zhukovskyi St., 64, Zaporizhzhia, Ukraine, 69063, tel. +38 (061) 769 83 51, e-mail [email protected], ORCID 0000-0003-1580-0556

3Dep. «Machine Parts and Lifting and Transport Mechanisms», Zaporizhzhia National Technical University, Zhukovskyi St., 64, Zaporizhzhia, Ukraine, 69063, tel. +38 (061) 769 82 73, e-mail [email protected], ORCID 0000-0001-9967-0220 4JSC «Motor Sich», Motorostroiteley St., 15, Zaporizhzhia, Ukraine, 69068, tel. +38 (061) 720 48 83, e-mail [email protected], ORCID 0000-0002-2713-5744

5JSC «Motor Sich», Motorostroiteley St., 15, Zaporizhzhia, Ukraine, 69068, tel. +38 (061) 720 48 83 6JSC «Motor Sich», Motorostroiteley St., 15, Zaporizhzhia, Ukraine, 69068, tel. +38 (061) 720 48 83

COMPLEX MODIFICATION OF SECONDARY SILUMINS

Purpose. Development of scientific and technological bases of formation of the specified secondary hypoeutec-tic (AK8M3) and eutectic (AK12M2MgH) silumins' structure; and increasing their mechanical and service properties' indices in the cast state and after heat treatment up to the level of primary alloys. Methodology. Determination of the chemical composition was conducted by spectral analysis on the spark spectrometer «SPECTROLAB» (Germany). Metallographic analysis was performed on the microscopes MIM-7 and MIM-8, and also by the high definition metallography method using the raster electronic microscope «JSMT-300» (Japan). Heat treatment of aluminum alloys was carried out applying T1 and T5 modes according to State Standard of Ukraine 2839-94 (GOST 1583-93). Standard techniques were used during the determination of mechanical properties. The temperature coefficient of linear expansion for the piston alloy AK12M2MgH (AL25) was determined using the specimens 0 with the diameter of 3.5 mm and length of 50 mm with the use of Shevenard optical quartz dilatometer. High temperature fracture resistance was determined according to State Standard 10145-81 as the time before fracture of the specimen at specified stress of 50 MPa and temperature of 300°С. Findings. The technology of obtaining alloys from charge, which consists of 100 % scrap and production wastes has been developed and implemented into production. This technology provides obtaining of metal of the guaranteed chemical composition and high quality with the reduction of energy costs for melting. Originality. The regularities of the formation of the structural and phase state and the level of physical and mechanical properties of eutectic and secondary hypoeutectic silumins depending on the refining and modifying processes have been established. The generalization of regularities of the secondary silumins' fracture has been carried out. Quantitative characteristics of the intermetallic phases' role in the fracture mechanisms and aluminum alloys' mechanical properties level formation have been obtained. Practical value. Structure formation processes of secondary aluminium alloys depending on their production technology have been studied. Highly efficient refining and modifying complexes for treatment of secondary hypoeutectic and eutectic aluminum alloys have been developed and the optimal quantity of modifiers depending on the charge quality has been determined.

Keywords: silumins; intermetallic phases; structure; shape parameter; mechanical properties; refining and modifying treatment

REFERENCES

1. Aleksakhin A.V., Khmelnitskaya N.V., Sivayeva Ye.K. Effektivnost ispolzovaniya vtorichnykh alyumini-yevykh splavov v liteynom proizvodstve [Efficiency of using the secondary aluminium alloys in foundry production]. Tezisy dokladov Vserossiyskoy konferentsii «Ekonomicheskiye problemy liteynogo proizvodstva Ros-sii» [Proc. of the All-Russian Conf. "Economic problems of foundry production in Russia"]. Penza, 1991, pp. 52-54.

2. Vozdvizhenskiy V.M., Grachev V.A., Spasskiy V.V. Liteynyye splavy i tekhnologiya ikh plavki v mashinos-troyenii [Foundry alloys and technology of their melting in mechanical engineering]. Moscow, Mashinos-troyeniye Publ., 1984. 432 p.

3. Volchok I.P., Mityayev A.A. Povysheniye kachestva retsirkuliruyemykh alyuminiyevykh splavov [Increasing of the quality of the recycled aluminium alloys]. Visnyk dvyhunobuduvannia [Bulletin of aeroenginebuilding], 2004, issue 3, pp. 103-107.

4. Volchok I.P., Mitiaiev O.A., Riazanov S.H. Rafinuiuche-modyfikuiuchyi kompleks dlia obrobky al-iuminiievykh splaviv [Refining and modifying complex for treatment of aluminium alloys]. Zbirnyk naukovykh prats X Mizhnarodnoi naukovo-tekhnichnoi konferentsii Zaporizhzhia «Nemetalevi vkraplennia

Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 6 (54)

i hazy u lyvarnykh splavakh» [Proc. of the 10th Int. Scientific and Technical Conf. of Zaporizhzhia «Non-metallic inclusions and gases in foundry alloys»]. Zaporizhzhia, 2003, p. 220.

5. Havrylenko B.B. Ekonomiko-pravovi vazheli ratsionalnoho pryrodokorystuvannia [Economical and law instruments of rational use of nature]. Zaporizhzhya, Polihraf Publ., 2004. 144 p.

6. GOST 10145-81. Metally. Metod ispytaniya na dlitelnuyu prochnost. [State Standard 10145-81. Metals. The method of testing of long-term strength]. Moscow, Izd-vo standartov Publ., 1981. 12 p.

7. Zilberg Yu.Ya., Khrushchova K.M, Gershman G.B. Alyuminiyevyye splavy v traktorostroyenii [Aluminium alloys in tractor building]. Moscow, Mashinostroyeniye Publ., 1971. 151 p.

8. Loza K.N. Vliyaniye modifitsirovaniya i termicheskoy obrabotki na formirovaniye struktury i svoystv vtorich-nogo porshnevogo splava AL25. Kand, Diss. [Influence of modification and heat treatment on the formation of structure and properties of the secondary piston alloy AL25. Cand. Diss.]. Zaporozhe, 2012. 140 p.

9. Lyutova O.V. Povysheniye liteynykh svoystv vtorichnykh alyuminiyevykh splavov [Increasing of foundry properties of secondary aluminium alloys]. Nauka ta prohres transportu. Visnyk Dnipropetrovskoho natsion-alnoho universytetu zaliznychnoho transportu - Science and Transport Progress. Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport, 2013, no. 3 (45), pp. 53-59.

10. Mityayev A.A. Kompleksnaya rafiniruyushche-modifitsiruyushchaya obrabotka alyuminiyevykh splavov [Complex refining and modifying treatment of aluminium alloys]. Stroitelstvo, materialovedeniye, mashinostroyeniye [Consruction, material science, machine building], issue 45, part 2, pp. 138-142.

11. Mityayev A.A. Povysheniye kachestva pereplava zagryaznennoy alyuminiyevoy struzhki [Increasing of the remelting quality of the contaminated aluminium chip]. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznichnoho transportu imeni akademika V. Lazariana [Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan], 2008, issue 22, pp. 175-180.

12. Volchok I.P., Mitiaiev O.A. Modyfikator dlia aliuminiievykh splaviv [Modifier for aluminium alloys]. Patent UA, no. 2002108343, 2003.

13. Volchok I.P. Mitiaiev O.A., Ostrovska A.Ye., Skuibida O.L. Modyfikator aliuminiievykh splaviv [Modifier of aluminium alloys]. Patent UA, no. u200902454, 2009.

14. Loza K.M., Mitiaiev O.A., Volchok I.P. Modyfikuvalnyi kompleks dlia aliuminiievykh splaviv [Modifying complex for aluminium alloys]. Patent UA, no. u200905914, 2009.

15. Shyrokobokova N.V., Mitiaiev O.A., Volchok I.P., Kiurchev S.V., Kolodii O.S. Rafinuvalno-modyfikuvalnyi kompleks dlia aliuminiievykh splaviv [Refining and modifying complex for aluminium alloys]. Patent UA, no. u201112705, 2012.

16. Belikov S., Volchok I., Mityayev O. The nanomodifier of aluminium alloys. Aims for future of engineering science. AFES 2006. Davos. Switzerland, 2006, pp. 191-193.

17. Vakulenko I.A, Nadezhdin Yu.L., Sokirko V.A, Volchok I.P., Mityayev A.A. Electric pulse treatment of welded joint of aluminum alloy. Nauka ta prohres transportu. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu - Science and Transport Progress. Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport, 2013, no. 4 (46), pp. 73-82.

18. Pietrowski S., Gumienny G., Pisarek B., Wladysiak R. Kontrola produkcji wysokojakosciowych stopow odlewniczych metoda ATD [Production control of advanced casting alloys with TDA method]. Archiwum technologii maszyn i automatyzacji, 2004, vol. 24, issue 3, pp. 131-144.

19. Lipinski T. Improvement of mechanical properties of AlSi7Mg alloy with fast cooling homogeneous modifier. Archives of foundry engineering. Katowice-Gliwice, 2008, vol. 8, issue 1, pp. 85-88.

20. Mityayev A., Belikov S. Improvement of quality of secondary aluminium alloys in conditions of mass production. Archives of metallurgy and materials. Warszawa-Krakow, 2007, vol. 52, no. 3, pp. 521-524.

21. Klyszewski A., Lech-Grega M., Szymanski W., Zelechowski J. The structure and properties of sheets made from aluminium and aluminium alloys for use in transport industry. Proc. of 9th Int. Conf. «Aluminium in transport 2003». Cracow-Tomaszowice, 2003, pp. 203-217.

Статья рекомендована к публикации д.т.н., доц. А. В. Овчинниковым (Украина);

д.т.н., проф. И. А. Вакуленко (Украина)

Поступила в редколлегию: 20.08.2014

Принята к печати: 23.10.2014