CC BY
22
УДК 621.746.043.3:669.046.516.4:669.715
Д-р техн. наук В. Ю. Селiвьорстов, канд. техн. наук Ю. В. Доценко, Н. В. Доценко
Нац1ональна металургшна академ1я УкраТни, м. Дн1про
ПЕРСПЕКТИВИ ВИКОРИСТАННЯ КОМПЛЕКСНИХ ТЕХНОЛОГ1ЧНИХ Р1ШЕНЬ ДЛЯ П1ДВИЩЕННЯ МЕХАН1ЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ЛИВАРНИХ СПЛАВ1В Al-S i
HaeedeHi результати аналiтичних та експериментальних дослiджень ефективностi спiльного використання проце^в впливу тиску i модифiкування на кристалiзацiю сплавiв системи Al-Si. Показано, що комплексний вплив на метал, що кристалiзуeться, який включае процеси модифiкування i накладення тиску, е перспективним з погляду пiдвищення механiчних властивостей сплавiв Розроблена комплексна технологiя дозволяе отримати стшкий ефект подрiбнювання кристалiчно'i структури, сфероiдизувати кристали евтектичного кремнiю, знизити макро- i мжродефекти, i пiдвищити механiчнi властивостi литого металу.
Ключовi слова: модифiкування, кристалiзацiя, тиск, механiчнi властивостi, технологiя.
Вступ
Створення нових технологий i щдвищення механч-них та експлуатащйних характеристик литих виробiв, у тому числ Í3 вторинних шихтових матерiалiв, е актуальною проблемою ливарного виробництва. За безперер-вно зростаючими вимогами до пiдвищення якосп ви-ливк1в i необхвдносп економи матерiалiв традицiйнi технологи стають усе менш ефективними. На сьогодн становлять iнтерес комплекснi технологи, яш сполуча-ють процеси рафiнування, модиф!кування i зовнiшнiх впливiв на метал виливка, що кристалiзуеться.
Ефективним способом шдвищення мехатчних властивостей сплавiв е змiна морфологи фаз, що кристаль зуються, за рахунок затвердшня i модифiкування 1'х у рiзко нерiвноважних умовах [1]. При цьому створюють-ся умови для здр!бнювання структурних складових, знач-ного шдвищення розчинносп у твердому станi, при-гнiчення росту грубих включень первинних штерме-талп.1в.
Аналiз попередн1х публiкацiй
Сплави системи Al-Si використовують в основному як конструкцшш матерiали, тому саме мехашчш влас-тивостi е для них основними показниками якосп [2]. Одним iз способiв шдвищення мехашчних властивостей сплавiв системи Al-Si е модифiкування. Теоретичнi основи модифiкування кольорових сплавiв викладенi в роботах М. В. Мальцева, В. I. Напалкова, Г. Б. Строганова, Б. Б. Гуляева та ш. При цьому розрiзняють 2 роди модифiкаторiв (за П. А. Ребвдером) - модиф!кування тугоплавкими частками (шокулящя) i модифiкування поверхнево-активними елементами (тмгтащл). У пер-шому випадку використовують правило Данилова-Ко-нобаевського (принцип розм!рно-структурно1 ввдповь дностi) i електронну теорш Ламiхова-Самсонова (ак-цептирувальний критерiй 1/Nn) [3-6]. До модифiкаторiв
алюмiнiю 1-го роду вщносять Ti, Zr, V, TiC, TiB2 та iн.; до модифiкаторiв алюмiнiю 2-го роду - B, Sr, Sb, Ba та ш. Вибiр модифiкаторiв для Al-Si сплавiв е бiльш складною задачею, тому що необхщно подр!бнити одночас-но дендрити Al i Si. Вщповвдно до теорй' синтезу сплаыв (за Б. Б. Гуляевим) одним iз критерй'в, що характеризуют модифiкувальну здатнiсть елеменпв, е критерiй роз-
под1лу в кремни ряду елеменпв (roSi = 10-3 + 10-4) [7]. Ввдповвдно до цього, до модифiкаторiв S i ввдносять ряд таких елеменпв: Na-K-Ca-Sr-Ba-Cd-Sb-Bi-B-S-P. Розроб-лено ефективш комплекснi модифiкатори сплавiв системи Al-Si, що включають модифiкатори 1 i 2 родiв. Аналiз природи сплаву i використання фiзико-хiмiчних критерй'в дозволяе в цей час одержувати високий ефект модифiкування при малих i гранично малих добавках елеменпв (0,1^0,001 % по мас.) [3].
1снують i фiзичнi методи впливу, що мають модиф-шувальний ефект, так! як ультразвукове оброблення, тем-пературно-часовове оброблення, накладення на розп-лав електромагнiтного поля та ш. Великий iнтерес вик-ликають процеси, пов'язанi !з застосуванням тиску на метал вилившв, що кристалiзуеться. Зокрема, в техно-лопчних схемах лиття з кристалiзацiею сплавiв щд тис-ком (ЛКТ) тиск, що прикладаеться на розплав у процеа затвердiння, значно впливае на характер кристал!заци [8]. Збiльшення швидкосп охолодження приводить до ввдповвдного росту швидкосп кристал!зацп, що зм!нюеться в результат! впливу тиску при кристал!заци на число центр!в i швидк1сть росту зародив. Швидкосп охолодження зростають у залежносп вщ габарипв ви-лившв, температурних умов лиття, методу пресування вщ 2-3 до 10 i бшьше раз!в. Щдвищення швидкосп охолодження кольорових сплашв, заснованих на системах з обмеженою розчиншстю, приводить до змши структури i легування твердого розчину, пов'язаних з дендрит-ною л!кващею й утворенням кваз!евтектики. На сьо-
© В. Ю. Сел1вьорстов, Ю. В. Доценко, Н. В. Доценко, 2016
ISSN 1607-6885 Нов1 матер1али i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2016
23
годшшнш день мало зведень про використання kom6í -нованих технологий, що впливають на структурнi скла-довi металу i тим самим тдвищують його службовi вла-стивосп.
Тому метою статт е розробка комплексно! технологи модифшування i газодинамiчного впливу на твер-дшчий розплав алюмшевого ливарного сплаву систе-ми Al-Si в ливарнш формi й аналiз !! ефективносп.
Основний MaTepiaí
Дiя тиску на кристалiзацiю сплавiв системи Al-Si виявляеться не тшьки у здрiбнюваннi структурних скла-дових. Тиск сприяе збiльшенню взаемно! розчинносп компонентiв сплавiв, а також змiнюе евтектичну кон-ценграцiю сплавiв.
Збшьшення розчинностi компонентiв можна пояс-нити загальмуванням первинно! дифузп, що мае мюце при переходi сплаву з редкого стану у твердий. Для ро-зумiння зсуву евтектично! точки необхедно розглянути змiну дiаграми стану тд впливом тиску.
На рисунку 1 представлена частина дiаграми стану Al-Si. Штриховими лiнiями нанесена дiаграма, яка от-римана пед дiею тиску. Дiаграма побудована на mдставi розрахуншв, виконаних за рiвнянням логарифм^ роз-чинностi Шредера для бшарних систем [9]:
ln X = Qa 2
_L - II; ln(1 - X) = Q
Ta T ¡ 2
(
1
V Tb
\
де Х - мольна концентрацiя компоненту А;
(1-Х) - мольна концентращя компоненту В;
Q - прихована теплота плавления компоненту А;
Qb - прихована теплота плавлення компоненту В;
T - температура плавлення компоненту А;
Tb - температура плавлення компоненту В;
Т - поточна температура плавлення.
При розрахунках приймалося, що температура плавлення чистого алюмшш тдвишуетъся на 6,3 х 10-3 °C на кожну атмосферу тиску, а температура плавлення чистого кремню ведповедно знижуеться на 5,8х 10-3 °C.
Виконанi на пiдставi цього розрахунки показали, що зсув евтектично! точки для дiаграми Al-Si становить 0,003 % на кожну атмосферу тиску. Зсув ведбуваеться убж кремнш.
Рис. 1. Змша д1аграми стану Al-Si тд д1ею тиску [9]
Рис. 2. Змша положення межових лшш дiаграми стану системи Al-Si при модиф^ванш нагрiем. Суцiльнi лши -рiвноважна дiаграма стану [10]
Наведет дат показують, що проведення процесу кристалiзацi! пiд впливом процеав модифiкування або тиску приводить до зсовування в зону бiльш високих концентрацiй другого компоненту нерiвноважних л^едусу i солiдусу з одночасним тдвищенням темпе-ратури евтектики.
На кафедрi ливарного виробництва Нацiонально!' металургiйно!' академй' Укра!ни розроблена технолопя газодинамiчного впливу на редкий та такий, що криста-лiзуюегься розплав у ливарнiй формi [11, 12]. Результата лабораторних доследжень i промислових випробу-вань показали тдвищення механiчних властивостей литого металу i зниження браку по шпаристосп при виробництвi виливк1в з алюмшевих сплавiв. Зокрема, при виробництвi вилившв деталей «Опорний наконечник спйки конвеера», як1 виготовляють зi сплаву АК5М способом лиття в кошль, у порядок технологiчних опе-рацiй виготовлення виливка були включен так1 етапи: проведення рафiнування (препарат DEGASAL T 200) i введення модифiкатора в розплав (препарат EUTEKTAL T 200), введення в робочу порожнину форми пристрою для подання газу оригiнально!' конструкцп, витримка виливка з пристроем протягом заданого иром1жку часу, подаиия газу (аргону) з початковими показниками тиску 0,15-0,2 МПа, настуине наротування тиску до 1-1,1 МПа i витримування тд тиском до повного затвердiння виливка. У результат! впровадження зазначено! технологй' скоротилася к1льк1сть браку виливюв по рихлотах i газо-вих раковинах на 28 %, зб№шилися на 25 % пластичнi властивосп литого металу, на 15-20 % вдалося знизити к1льк1сть модифiкатора, а також знизити температуру i час оброблення.
Висновки
1. Проведений аналiз лiтературних джерел за темою роботи показав, що комплексний вплив на метал, що кристалiзуеться, який включае процеси модиф^ван-ня i накладення тиску, е перспективним з погляду тдви-щення механiчних властивостей сплавiв системи Al-Si.
2. Проведення процесу кристалiзацi! тд впливом модифiкування або тиску приводить до зсовування в зону бшьш високих концентрацш другого компоненту нерiвноважних лiквiдусу i солiдусу. Варiювання вели-
чини тиску при крисгалiзацil i кiлькостi модифiкатора приводить до змiни спiввiдношення фаз у струкгурi ев-тектичних сплавiв, що впливае на мехашчш й експлуа-гацiйнi властивосп виливк1в.
3. Розроблена комплексна технолопя газодина]шч-ного впливу на розплав у ливарнш формi i модиф^-вання дозволяе отримати стiйкий ефект подрiбнювання кристал1чно1 структури, сферовдизацл кристалiв евтек-тичного кремнiю, зниження макро- i мiкродефектiв i шдвищення мехатчних властивостей литого металу.
Список лтератури
1. Немененок Б. М. Теория и практика комплексного модифицирования силуминов / Б. М. Немененок. - Мн. Технопринт, 1999. - 272 с.
2. Силумины. Атлас микроструктур и фрактограмм промышленных сплавов: Справ. Изд. / [Пригунова А. Г., Белов Н. А., Таран Ю. Н. и др.]. - М. : МИСИС, 1996. -175 с.
3. Наследственность в литых сплавах: монограф1я / Никитин В. И., Никитин К. В. ; Изд. 2-е, перераб. и доп. - М. : Машиностроение, 2005. - 476 с.
4. Структура эвтектических сплавов: монограф1я / Таран Ю. Н., Мазур В. И. - М. : Металлургия, 1978. -312 с.
5. О модифицировании Al-Si сплавов / [Кимстач Г. М., Муховецкий Ю. П., Борисов В.Д. и др.] // Литейное производство. - 1981. - № 10. - C. 7-8.
6. Плавление и кристаллизация металлов и сплавов : мо-нографiя / Гаврилин И. В. - Владимир : ВГУ, 2000. -260 с.
7. Синтез сплавов : монографiя / Гуляев Б. Б. - М. : Металлургия, 1984. - 160 с.
8. Давление в управлении литейными процессами : моно-графiя / Борисов Г. П. - К. : Наукова думка, 1988.- 271 с.
9. Вопросы кристаллизации сплавов под высоким давлением / [В. В. Марков, А. А. Рыжиков] // Теплообмен между отливкой и формой. - Минск : Вышэйшая школа, 1967. - С. 71-74.
10. Модифицирование силуминов стронцием : монографiя / И.Н. Ганиев, П.А. Пархутик, А.В. Вахобов и др. - Мн. Наука и техника, 1985. - 143 с.
11. Декларацшний патент, Украша МПК (2006) В22D 18/ 00 Спомб отримання виливюв / Селiвьорсгов В. Ю., Хричиков В. е., Доценко Ю. В. № 28858 ; заявл. 03.08.2007 ; опубл. 25.12.2007 ; Бюл. № 21.
12. Декларацшний патент, Укра!на МПК (2006) В22D 18/00 Пристрш для отримання виливюв / Селiвьорсгов В. Ю., Хричиков В. е., Доценко Ю. В. № 28859 ; заявл. 03.08.2007 ; опубл. 25.12.2007 ; Бюл. № 21.
Одержано 09.12.2016
Селиверстов В.Ю., Доценко Ю.В., Доценко Н.В. Перспективы использования комплексных технологических решений для повышения механических свойств литейных сплавов Al-Si
Приведены результаты аналитических и экспериментальных исследований эффективности совместного использования процессов воздействия давления и модифицирования на кристаллизацию сплавов системы Al-Si. Показано, что комплексное воздействие на кристаллизующийся металл, которое включает в себя процессы модифицирования и наложение давления, является перспективным с точки зрения повышения механических свойств сплавов. Разработана комплексная технология, которая позволяет получить стойкий эффект измельчения кристаллической структуры, сфероидизировать кристаллы эвтектического кремния, снизить макро- и микродефекты и повысить механические свойства литого металла.
Ключевые слова: модифицирование, кристаллизация, давление, механические свойства, технология.
Seliverstov V., Dotsenko Yu., Dotsenko N. Prospects for application of integrated technology solutions for improving the mechanical properties of casting Al-Si alloys
Results of analytical and experimental researches of application efficiency of the action ofpressure and modification on the crystallization of alloys of Al-Si system are given. It is shown that the complex effect on the crystallized metal, which includes the processes of modification and the imposition of pressure is perspective from the point of view of increase of mechanical properties of alloys. Integrated technology was developed, which enables achievement prolonged effect of grinding crystal structure, spherodizing eutectic silicon crystals, reduce macro- and micro defects, and increase the mechanical properties of cast metal.
Key words: modification, crystallization, pressure, mechanical properties, technology.
ISSN 1607-6885 Hoei Mamepia.nu i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2016
25
