CC BY
3
https://doi.org/10.21122/1683-6065-2024-4-10-12 Поступила 24.09.2024
УДК 621.745.35 Received 24.09.2024
НАНОСТРУКТУРИРОВАНИЕ ПРИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ЛИТЕЙНЫХ АЛЮМИНИЕВО-МЕДНО-КРЕМНИЕВЫХ СПЛАВОВ И ИХ СТРУКТУРНАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ ПРИ ПЕРЕПЛАВКЕ
Е. И. МАРУКОВИЧ, В. Ю. СТЕЦЕНКО, Ассоциация литейщиков и металлургов Республики Беларусь, г. Минск, Беларусь, ул. Я. Коласа, 24. E-mail: [email protected]
А. В. СТЕЦЕНКО, МОУВО «Белорусско-Российский университет», г. Могилев, Беларусь, пр. Мира, 43
Основными структурными элементами расплавов литейных алюминиево-медно-кремниевых сплавов являются элементарные нанокристаллы алюминия, меди, кремния и их свободные атомы. Кристаллизующиеся фазы этих сплавов -микрокристаллы а-фаз, кремния и в-фазы. Процесс их кристаллизации наноструктурный. Сначала из элементарных нанокристаллов и свободных атомов образуются структурообразующие нанокристаллы. Затем из них формируются центры кристаллизации микрокристаллов фаз. Из них, структурообразующих нанокристаллов и свободных атомов алюминия, меди, кремния образуются микрокристаллы а-фаз, кремния и в-фазы. Показано, что структурная устойчивость при переплавке литейных алюминиево-медно-кремниевых сплавов обратно пропорциональна концентрациям адсорбированных атомов водорода и кислорода.
Ключевые слова. Алюминиево-медно-кремниевые сплавы, наноструктурные процессы, структурная устойчивость, кристаллизация, переплавка.
Для цитирования. Марукович, Е. И. Наноструктурирование при кристаллизации литейных алюминиево-медно-кремниевых сплавов и их структурная устойчивость при переплавке /Е. И. Марукович, В. Ю. Стеценко, А. В. Стецен-ко //Литье и металлургия. 2024. № 4. С. 10-12. https://doi.org/10.21122/1683-6065-2024-4-10-12.
NANOSTRUCTURING DURING CRYSTALLIZATION OF CAST ALUMINUM-COPPER-SILICON ALLOYS AND THEIR STRUCTURAL STABILITY DURING REMELTING
E.I. MARUKOVICH, V. Yu. STETSENKO, Association of Foundrymen and Metallurgists of Belarus,
Minsk, Belarus, 24, Ya. Kolas str. E-mail: [email protected]
A. V. STETSENKO, Belarusian-Russian University, Mogilev, Belarus, 43, Mira ave.
The main structural elements of melts of foundry aluminum-copper-silicon alloys are elementary nanocrystals of aluminum, copper, silicon and their free atoms. The main crystallizing phases of these alloys are microcrystals of a-phases, silicon and в-phases. The process of their crystallization is nanostructural. First, structure-forming nanocrystals are formedfrom elementary nanocrystals and free atoms. Then the centers of crystallization of microcrystals ofphases are formed from them. From them, the structure-forming nanocrystals of m free atoms of aluminum, copper, and silicon, microcrystals of a-phases, silicon, and в-phases are formed. It is shown that the structural stability during remelting of cast aluminum-copper-silicon alloys is inversely proportional to the concentrations of adsorbed hydrogen and oxygen atoms.
Keywords. Aluminum-copper-silicon alloys, nanostructural processes, structural stability, crystallization, remelting. For citation. Marukovich E. I., Stetsenko V. Yu., Stetsenko A. V. Nanostructuring during crystallization of cast aluminum-copper-silicon alloys and their structural stability during remelting. Foundry production and metallurgy, 2024, no. 4, pp. 10-12. https://doi.org/10.21122/1683-6065-2024-4-10-12.
Основными структурными составляющими при кристаллизации литейных алюминиево-медно-кремниевых сплавов (АМКС) являются первичные микрокристаллы а-фазы (амк1) ; двойная эвтектика, состоящая из микрокристаллов а-фазы (амк2) и кремния (SiMKl); тройная эвтектика, состоящая из микрокристаллов а-фазы (амк3 ) , кремния (SiMK2 ) и 9-фазы (9мк ) [1].
Согласно наноструктурной теории металлических расплавов, в условиях промышленной плавки литейных АМКС амк1 распадаются на элементарные нанокристаллы алюминия (А1эн1), меди (Сиэн1) и кремния (Si^i), свободные атомы алюминия (Alai) , меди (Cuai) и кремния (Siai) [2].
ЛИТЬЕ И МЕТАЛЛУРГИЯ 4 2024
Процесс кристаллизации амк1 является наноструктурным и происходит следующим образом [3]. Сначала формируются структурообразующие нанокристаллы (асн1) по реакции:
А1эн1 + А1а1 + Сиэн1 + Сиа1 + ^эн! + Siа1 = асн1 . (1)
Затем образуются центры кристаллизации (ацк1) :
асн1 + А1а1 + Сиа1 + Siа1 = ацк1 . (2)
Заканчивается процесс кристаллизации амк1 реакцией:
ацк1 + асн1 + А1а1 + Сиа1 + Siа1 = амк1 . (3)
Согласно наноструктурной теории металлических расплавов, в условиях промышленной плавки литейных АМКС амк2 распадаются на элементарные нанокристаллы алюминия (А1эн2), меди (Сиэн2)
и кремния (Siэн2 ) , свободные атомы алюминия (А1а2 ) , меди (Сиа2 ) и кремния
Процесс кристаллизации амк2 является наноструктурным и происходит следующим образом [3]. Сначала формируются структурообразующие нанокристаллы (асн2 ):
А1эн2 + А1а2 + Сиэн2 + Сиа2 + Siэн2 + ^а2 = асн2 . (4)
Затем образуются центры кристаллизации (ацк 2 ):
асн2 + А1а2 + Сиа2 + Siа2 = ацк2 . (5)
Заканчивается процесс кристаллизации амк2 реакцией:
ацк2 +асн2 +А1а2 +Сиа2 + Siа2 =амк2 . (6)
Согласно наноструктурной теории металлических расплавов, в условиях промышленной плавки литейных АМКС Siмкl распадаются на элементарные нанокристаллы кремния ^энз ) и свободные атомы кремния ^а3) [2].
Процесс кристаллизации Siмкl является наноструктурным и происходит следующим образом [3]. Сначала формируются структурообразующие нанокристаллы ^сн1) :
^эн3 + ^а3 = ^сн1. (7)
Затем образуются центры кристаллизации ^цк1) :
^сн1 + Siа3 = ^цк1 . (8)
Заканчивается процесс кристаллизации Siмк1 реакцией:
Siцк1 + ^сн1 + Siа3 = Siмк1 . (9)
Согласно наноструктурной теории металлических расплавов, в условиях промышленной плавки литейных АМКС амк3 распадаются на элементарные нанокристаллы алюминия (А1эн3), меди (Сиэн3) и кремния ^эн4 ), свободные атомы алюминия (А1а3 ) , меди (Сиа3 ) и кремния ^а4 ) [2].
Процесс кристаллизации амк3 является наноструктурным и происходит следующим образом [3]. Сначала формируются структурообразующие нанокристаллы (асн3 ) :
А1эн3 + А1а3 + Сиэн3 + Сиа3 + Siэн4 + Siа4 = асн3 . (10)
Затем образуются центры кристаллизации (ацк3 ) :
а сн3 + А1а3 + Сиа3 + Siа 4 = ацк 3. (11)
Заканчивается процесс кристаллизации амк 3 реакцией:
ацк3 + асн3 + А1а3 + Сиа3 + Siа4 = амк3 . (12)
Согласно наноструктурной теории металлических расплавов, в условиях промышленной плавки литейных АМКС Siмк 2 распадаются на элементарные нанокристаллы кремния ^эн5) и свободные атомы кремния ^а5) [2].
Процесс кристаллизации Siмк2 является наноструктурным и происходит следующим образом [3]. Сначала формируются структурообразующие нанокристаллы ^сн2 ):
^эн5 + ^а5 = ^сн2 . (13)
Затем образуются центры кристаллизации ^цк 2 ):
Siсн2 + ^а5 = Siцк2 . (14)
Заканчивается процесс кристаллизации Siмк 2 реакцией:
Siцк2 + ^сн2 + ^а5 = ^мк2 . (15)
Согласно наноструктурной теории металлических расплавов, в условиях промышленной плавки литейных АМКС 0мк распадаются на элементарные нанокристаллы алюминия (А1эн4), меди (Сиэн4) и кремния (Si^g ), свободные атомы алюминия (А1а 4 ), меди (Cua 4 ) и кремния (Sia6 ) [2].
Процесс кристаллизации 9мк является наноструктурным и происходит следующим образом [3]. Сначала формируются структурообразующие нанокристаллы (9сн ) :
А1эн4 + А1а4 + Сиэн4 + Cua4 + ^эн6 + Sia6 = 9сн . (16)
Затем образуются центры кристаллизации (9цк):
9сн + А1а4 + CUa4 + Sia6 = 9цк . (I7)
Заканчивается процесс кристаллизации 9мк реакцией:
9цк +9сн + ^a4 +Cua4 + Sia6 =9мк . (18)
В расплавах литейных алюминиево-кремниевых сплавов растворяются атомы водорода и кислорода, причем атомарный водород адсорбируется центрами кристаллизации микрокристаллов a-фазы, а атомарный кислород - центрами кристаллизации микрокристаллов кремния [4].
При увеличении перегревов и (или) времени выдержки расплавов литейных АМКС в них повышаются концентрации атомов водорода и кислорода. Растворенные в жидких литейных АМКС атомы водорода адсорбируются ацк1, ацк2 , ацк3, 9мк до определенных, критических концентраций. При их превышении происходит распад этих центров кристаллизации по эффекту Ребиндера в соответствии со следующими реакциями:
{Н}ацк1 = {Н}асн + асн1 + A1a1 + Cua1 + Siab {H} {H} асн2 +асн2 + A1a 2 + Cua2 + Sia2; /ЛГ1ч
{H} = {H} асн3 +асн3 + A1a3 + Cua3 + Sia 4;
{Н}9цк = {Н}9сн +9сн + Ala 4 + CUa4 + Sia6, где {H} - адсорбированные атомы водорода.
Растворенные в расплавах литейных АМКС атомы кислорода адсорбируются Si^ Si^ 2 деленных критических концентраций. При их превышении происходит распад этих центров кристаллизации по эффекту Ребиндера в соответствии с реакциями:
{O}Sv1 ={O}Siснl + Sia3; (20)
{O}Si цк 2 _ {O}Si сн2 где {O} - адсорбированные атомы кислорода.
Таким образом, структурная устойчивость при переплавке литейных алюминиево-медно-кремниевых сплавов определяется устойчивостью центров кристаллизации микрокристаллов a-фаз, кремния и 0-фазы, которая зависит от концентрации адсорбированных атомов водорода и кислорода. Эти концентрации повышаются при увеличении перегревов и (или) времени выдержки расплавов, что приводит к распаду центров кристаллизации микрокристаллов a-фаз, кремния и 0-фазы по эффекту Ребиндера и снижению структурной устойчивости при переплавке литейных алюминиево-медно-кремниевых сплавов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Производство отливок из сплавов цветных металлов: учебник / А. В. Курдюмов [и др.]. М.: МИСиС, 2011.- 615 с.
2. Марукович, Е. И. Наноструктурная теория металлических расплавов / Е. И. Марукович, В. Ю. Стеценко // Литье и металлургия.- 2020.- № 3.- С. 7-9.
3. Марукович, Е. И. Наноструктурная кристаллизация литейных сплавов / Е. И. Марукович, В. Ю. Стеценко, А. В. Стеценко // Литье и металлургия.- 2022.- № 3.- С. 13-19.
4. Марукович, Е. И. О модифицировании силуминов / Е. И. Марукович, В. Ю. Стеценко, А. В. Стеценко // Литье и металлургия.- 2022.- № 4.- С. 41-46.
REFERENCES
1. Kurdyumov A. V., Belov V. D., Pikunov M. V. Proizvodstvo otlivok iz splavov cvetnyh metallov: uchebnik [Production of castings from non-ferrous metal alloys: textbook]. Moscow, MISiS Publ., 2011, 615 p.
2. Marukovich E. 1, Stetsenko V. Yu. Nanostrukturnaya teoriya metallicheskih rasplavov [Nanostructural theory of metal melts]. Lit'e i metallurgiya = Foundry production and metallurgy, 2020, no. 3, pp. 7-9.
3. Marukovich E. I., Stetsenko V. Yu., Stetsenko A. V. Nanostrukturnaya kristallizaciya litejnyh splavov [Nanostructured crystallization of casting alloys]. Lit'e i metallurgiya = Foundry production and metallurgy, 2022, no. 3, pp. 13-19.
4. Marukovich E. I., Stetsenko V. Yu., Stetsenko A. V. O modificirovanii siluminov [On modification of silumins]. Lit'e i metallurgiya = Foundry рroduction and metallurgy, 2022, no. 4, pp. 41-46.
