CC BY
63
УДК 669.71
О. Л. СКУЙБ1ДА, I. П. ВОЛЧОК (ЗНТУ, Запоржжя)
П1ДВИЩЕННЯ МЕХАН1ЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ВТОРИННОГО СИЛУМ1НУ АК5М2
Вивчалась ефектившсть рафшувально-модиф1кувально! обробки вторинного алюмшевого сплаву АК5М2. Було розроблено та використано модифкатор складу 0...20 % Na2CO3, 15.20 % SrCO3, 12.20 % SiC, 3.8 % Ti, 0,5.2 % C, решта S. Отримано покращення показнишв мщносп та пластичносп сплаву.
Изучалась эффективность рафинирующе-модифицирующей обработки вторичного алюминиевого сплава АК5М2. Был разработан и применен модификатор состава 0.20 % Na2CO3, 15.20 % SrCO3, 12.20 % SiC, 3.8 % Ti, 0,5.2 % C, остальное S. Получено улучшение показателей прочности и пластичности сплава.
The effect of refining-modifying treatment of secondary aluminum alloy АК5М2 was researched. The modifier 10.20 % Na2CO3, 15.20 % SrOOs, 12.20 % SiC, 3.8 % Ti, 0,5.2 % C, the rest S was worked out and used. The improvement of tensile strength and plasticity of the alloy was obtained.
Постановка проблеми
В виробнищи алюмшевих сплавiв все бшьшого розповсюдження здобувае викори-стання вторинно! сировини. При цьому поряд зi зниженням собiвартостi продукци та покращен-ням еколопчно! ситуаци постае проблема якосп вторинних алюмiнiевих сплавiв, що пов'язано iз значною забруднешстю шихтових матерiалiв металевими та неметалевими домiшками, а також ефектом металургшно! спадковостi. В результатi структурi вторинних сплавiв на основi алюмiнiю властива крупнозерниспсть, пiдвищена неоднорiднiсть та наявшсть великих скупчень залiзовмiсних iнтерметалiдiв несприятливо! голко- або пластиноподiбноl форми.
Для усунення суттево! рiзницi якостi пер-винних та вторинних сплавiв на основi алюм> нiю важливо забезпечити високу чистоту мате-рiалу вщливок за неметалевими вкрапленнями i сформувати модифшовану структуру, для яко! була б характерна однорщнють та наявшсть подрiбнених кристалiв евтектичного кремнiю, а також залiзовмiсних фаз сприятливо! морфологи.
Аналiз останнiх дослiджень та публжацш
З метою пiдвищення якосп вторинних алюмiнiевих сплавiв використовуеться ряд фiзичних та механiчних методiв впливу на розплав (продування газами, фшьтращя, вiбра-цiйне перемiшування, обробка електричним
струмом, вистоювання в iнертнiй атмосферi або BaKyyMi тощо), причому як найбшьш просп, технологiчнi та eKOHOMi4HO доцiльнi можна розглядати методи рафшування та модифшу-вання.
Сьогоднi як компоненти рафiнyвальних комплексiв та модифiкаторiв й досi широко використовують токсичш та небезпечнi речо-вини, а також застарш й малоефективнi технологи обробки, що позначасться на низькш якостi вторинних алюмiнieвих сплавiв украш-ського виробництва. Таким чином, постала нагальна потреба в yдосконаленнi технолоп-чних процесiв рафiнyвання та модифшування вторинних сплавiв на основi алюмшю з метою пiдвищення рiвня мехашчних та експлуата-цiйних властивостей.
Викладення основного матерiалу
Об'ектом дослiджень виступав вторинний силумш АК5М2, який застосовуеться для виготовлення середньонавантажених деталей рiзноманiтного призначення, в т.ч. для товарiв культурно-побутового споживання, виробiв електротехшчно! промисловостi та машинобу-дування.
Плавлення сплаву АК5М2 здiйснювали в електричнш печi опору пiд шаром стандартного флюсу (15 % KCl, 45 % NaCl, 40 % AlF3), який захищав метал вiд окислення i забезпечував часткове очищення розплаву вщ розчинених газiв. Флюс додавали у кшькост 2 % вщ маси
© Скyйбiда О. Л., Волчок I. П., 2010
розплаву, зшмаючи його шсля введення модифшатора. Для пiдвищення рiвня мехаш-чних властивостей вторинного силумшу АК5М2 нами було розроблено i запатентовано модифкатор складу 10...20 % Na2CO3, 15...20 % S1CO3, 12.20 % SiC, 3.8 % Ti, 0,5.2 % C, решта S. Присадки модифшатора (0,1 % вiд маси сплаву) вводили при тeмпeрaтурi 720 ± 10 °С за допомогою ливар-ного дзвоника. Метал витримували в шамотному тигeлi при тeмпeрaтурi 720 ± 10 °С про-тягом 5 хв., пiсля чого вщливали зразки для aнaлiзу макро- та мшроструктури, а також випробувань мexaнiчниx властивостей. Зразки пiддaвaли тeрмiчнiй обробцi за режимом Т5 (на^вання до (525±5) °С, витримка 4 год, гартування з наступним старшням при (175±5) ° С протягом 8 год).
Наявшсть у флюш, що використовувався, хлориду нaтрiю, хлориду калда i фториду aлюмiнiю обумовили утворення на повeрxнi розплаву захисно1 плiвки, вилучення твердих частинок неметалевих вкраплень та часткову дeгaзaцiю розплаву. Натрш та кaлiй, зменшую-чи поверхневий натяг рщкого металу на поверхш кристaлiв, що ростуть, сприяли отриманню тонкодифeрeнцiйовaноï структури. Сполука AlF3 сприяла зменшенню натягу на меж подiлу метал-флюс та збiльшeнню ступе-ня рaфiнувaння. Також фторид алюмшю забезпечував розчинення плiвки оксиду алюм> нiю, а хлориди нaтрiю та калда знижували ïx температуру плавлення. Використання сумiшi xлоридiв та фтористо' солi привело до змщ-нення плiвки на повeрxнi сольового розплаву та збшьшення крайового кута змочування.
Оскшьки одне лише рaфiнувaння часто не дозволяе досягти бажаного шдвищення якостi сплaвiв, виготовлених iз вторинно'' сировини, пiсля флюсового рaфiнувaння здшснювали опeрaцiю модифiкувaння.
В рiдкиx сплавах Al-Si юнують мшроне-однорiдностi - гетерофазш комплекси aтомiв крeмнiю, як знаходяться в динaмiчнiй рiвно-вaзi з оточуючим розплавом та характеризуются ненаправленими ковалентними зв'язками Si-Si. В процес кристaлiзaцiï силумiнiв формуються грубоголчaстi евтектики, пeрвиннi кристали кремшю ростуть у виглядi пластин з розвиненими гранями, що викликае окрихчу-вання сплaвiв. Атоми aлюмiнiю евтектики a-Al - P-Si е акцепторами, тодi як атоми
крeмнiю - донорами. Кристатзащя евтектики характеризуеться максимальною локалiзацiею електронно'' густини за напрямком зв'язюв Si-Si. Зaлiзовмiснi фази за звичайних температур кристатзаци мають грубокристaлiчну будову, викликають погiршeння мехашчних властивостей, особливо плaстичностi. Зaлiзо-вмюним фазам властивий ковалентний тип мiжaтомниx зв'язкiв, що обумовлюе ïx напра-влeнiсть при кристaлiзaцiï.
При виборi компонeнтiв модифiкaторa керувалися нeобxiднiстю управлшня процесом кристaлiзaцiï евтектики i нeйтрaлiзaцiï основноï шкiдливоï домiшки таких сплaвiв - зaлiзa. Для отримання сприятливоï структури та морфо-логiï кристaлiзaцiйниx утворень перевагу вщда-вали елементам-модифшаторам, якi змiнюють ковалений зв'язок мiжaтомноï взaемодiï на металевий ненаправлений. Для шдвищення тривалосп модифiкувaльного ефекту та сутте-вого покращення якостi мaтeрiaлу використо-вували модифiкaтори як I-го, так i II-го роду.
Присутш у склaдi модифiкaторa сiркa та карбонати натрда i стронцiю забезпечували додатковий рафшувальний вплив на розплав, забезпечивши ефективне видалення розчине-ного водню за адсорбцшним i флотацшним мexaнiзмaми. Сiркa обумовила компактнють, рiвномiрний розподiл та сприятливу морфо-логiю зaлiзовмiсниx фаз. Нaтрiй та стронцш викликали втрату нaпрaвлeностi та мeтaлiзaцiю зв'язкiв мiжaтомноï взaемодiï, що позначилось на подрiбнeннi та коагуляцп кристaлiв крeмнiю. Накопичуючись на фронт кристал> зaцiï, нaтрiй та стронцш забезпечили коопера-тивний рiст евтектичних фаз та модифiкувaння евтектики, змшюючи морфологiю евтектичного крeмнiю з плaстинчaтоï на стрижньову, а також шдвищуючи його диспeрснiсть. Срiблястий грaфiт вадгравав роль модифiкaторa II-го роду, створюючи додaтковi центри зародкоутворення та шдвищуючи стутнь подрiбнeння структур-них складових. Сполука Al3Ti, яка утворю-валась при введенш титану, сприяла вини-кненню донорно-акцепторних зв'язкiв мiж атомами модифшатора та aлюмiнiю, i, вщпо-вщно, модифiкувaнню a-твердого розчину. Ультрадисперсний карбщ крeмнiю забезпечував зменшення довжини дендриив першого порядку. Частинки SiC накопичувались перед фронтом кристалiзацiï та забезпечували пере-охолодження, збiльшeння кшькосп i змен-
шення розмiрiв, а також змiну форми евтек-тичних складових алюмiнieвого сплаву на бшьш компактну.
Аналiз макроструктури показав суттеве подрiбнення зерна при використанш флю-
сового рафiнування та наступного модиф> кування запропонованим комплексом в пор> вняннi з одшею лише рафiнувальною обробкою (рис. 1).
б
Рис. 1. Макроструктура зразшв з1 сплаву АК5М2 тсля терм1чно! обробки за режимом Т5 (х2):
а - тсля обробки флюсом, б - тсля флюсового рафшування та модифжування
В структурi зразюв пiсля флюсового рафiнування (рис. 2, а) були присутш великi за розмiром поодинокi кристали первинного крем-нiю, пластинчатi витягнутi видiлення евтек-тичного кремнiю, а також окремi видiлення iнтерметалiдних фаз на тлi алюмiнiевого твердого розчину. Кристатчний кремнiй в алюм> нiевiй матриц був розташований нерiвномiрно та характеризувався широким дiапазоном роз-мiрiв частинок.
Пюля оброблення флюсом та модифша-тором структура набула однорiдностi та тонко! диференщаци (рис. 2, б). Пюля плавлення пiд шаром флюсу та модифшування в ковшi структурш складовi значно подрiбнились, зменшилась вщстань мiж ними, зросла компак-тнють форми, знизилась об'емна кiлькiсть ш-терметалiдних фаз, що врештi-решт позначи-лось на збiльшеннi запасу мщносп та пласти-чностi сплаву АК5М2.
У випадку дрiбнодисперсних штермета-лщних фаз та модифiкованого евтектичного кремшю, рiвномiрного розподiлу надлишкових вкраплень в структур^ магiстральна трiщина
сильно розгалужуеться, що обумовлюе високу енергоемнiсть процесу руйнування матерiалу. Якщо крупнi частинки крихких iнтерметалiдiв розмiщуються у виглядi суцiльних ланцюжкiв по межам зерен, то сплав мае низью значення пластичност та мiцностi. У тому випадку, коли вони рiвномiрно розподшяються за об'емом сплаву АК5М2 у виглядi компактних вкраплень, що спостериалося пiсля модифшувально! обробки, мехашчш властивостi пiдвищуються. Компактнiсть вкраплень штерметалщних фаз позначаеться на пiдвищеннi показниюв мщ-ностi та пластичностi в порiвняннi з голчастими та пластинчатими частинками, навт якщо останнi розподшяються лише по тшу зерна. Ц явища пов'язанi з легким зародженням та розвитком трщин вздовж та поряд з межами зерен, що мають видшення надлишкових фаз, та витягнених частинок друго! фази.
Ефективнють використання запропоновано-го модифiкатора шдтверджуеться результатами механiчних випробувань (табл. 1). При двосту-пеневому обробленнi флюсом та модифша-тором спостерiгаеться зростання показникiв
а
мехашчних властивостей в порiвняннi з одно-кратним обробленням флюсом: границi мщ-ностi при розтягу орв на 11 %, границ мiцностi при стисненш осв на 15,5 %, вщносного подовження ф на 24,3 %, вщносного осадження е на 17, 4 %.
б
Рис. 2. М1кроструктура зразшв з1 сплаву АК5М2 шсля терм1чно! обробки за режимом Т5 (х750):
а - тсля обробки флюсом, б - тсля флюсового рафшування та модифжування
Висновки та перспективи подальших дослщжень
Спiльне використання стандартного флюсу та розробленого модифшатора в порiвняннi з одшею лише флюсовою обробкою привело до суттевого подрiбнення зерна вторинного силу-мiну АК5М2, диспергування та диференщаци структурних складових, зменшення об'емно! частки залiзовмiсних iнтерметалiдiв та збшь-
шення !х компактностi, покращення показниюв мiцностi та пластичностi.
Таблиця 1
Результати експериментальних досл1джень дп модифшатора на механ1чн1 властивост1 сплаву АК5М2
Вид обробки Випробування на розтяг Випробування на стиснення
арв, МПа ф, % О в, МПа е, %
Плавления тд флюсом 157,5 3,5 361,6 37,6
Плавлення тд флюсом та модифтування в ковш1 174,6 4,4 417,6 44,2
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Системный поход к качеству литья и препараты для эффективной печной и внепечной обработки сплавов на основе алюминия [Текст] / С. П. Задруцкий [и др.] // Литье Украины. -
2005. - № 2. - С. 29-38.
2. Немененок, Б. М. Комплексное модифицирование промышленных силуминов [Текст] / Б. М. Немененок // Литейное производство. -1999. - № 3. - С. 22-23.
3. Виробництво алюмшевих сплаыв з рудно! та вторинно! сировини [Текст] : навч. поабник / за ред. Т. М. Нестеренко. - К.: Вища шк., 2007. - 207 с.
4. Наследственное влияние происхождения шихтовых металлов на качество алюминиевых сплавов в условиях АО «АвтоВАЗ» [Текст] / И. М. Скрипников [и др.]. - (Наследственность в литейных сплавах) // Литейное производство. - 2000. - № 10. - С. 2-3.
5. Кольчурина, И. Ю. Разработка и освоение технологии модифицирования алюминиевых сплавов комплексными лигатурами на основе техногенных отходов [Текст] : дис. ... канд. техн. наук / И. Ю. Кольчурина. - Новокузнецк,
2006. - 221 с.
6. Концепция модульных технологий получения качественных отливок из алюминиевых сплавов [Текст] / С. П. Королев [и др.] // Литейное производство. - 2002. - № 8. - С. 14-18.
Надшшла до редколегп 15.04.2010.
Прийнята до друку 28.04.2010.
