Исследование наследственного влияния структуры алюминиевостронциевой лигатуры при модифицировании сплавов системы Al-Si

На протяжении нескольких десятилетий в литейном производстве традиционными добавками для измельчения структуры силуминов являются соли натрия и калия. Несмотря на их преимущества, выраженные в основном экономическими и технологическими параметрами, наблюдаются их существенные недостатки – сложность получения нормально модифицированной структуры, высокие и частые потери натрия из-за его испарения и окисления, порча тиглей, шлаковые потери, выбросы вредных веществ в окружающую среду и др. В результате проведённых научных и практических работ по выявлению наиболее удобного модификатора силуминов предпочтение отдали стронцию, который одновременно измельчает зёрна алюминия и кремния, оказывая лучший эффект модифицирования. Однако повсеместного внедрения в производство он не получил, так как на практике столкнулись со сложностью его ввода в расплав из-за химической активности, отсутствия оптимальных условий, больших затрат и др. Несмотря на это, продолжаются работы по разработке новых составов лигатур и методов введения стронция в жидкий расплав силуминов с учётом закономерностей ЯСН.

Нами также были использованы технологии генной инженерии для изучения наследственного влияния структуры стронциевой лигатуры на свойства алюминиевых сплавов. Исходным материалом явились чушковые лигатуры Al+10%Sr разной толщины и массы от двух мировых производителей: 1-«ИГМЗ» (Таджикистан); 2 – «LSM» (Англия). Их обрабатывали специальными способами по вышеописанной методике; переплавляли, нагревая до 850 и 1050°С в электропечи сопротивления GRAFICARBO GF.1100 и охлаждали в валковом кристаллизаторе; производили холодную деформацию.

Качество лигатур оценивали по следующим параметрам: электропроводность ВС-30Н, плотность, пористость исследовались с помощью программы ТЕМПЛЕТ S7, макро- и микроструктура – программы SIAMS 700. На образцах, приготовленных по ГОСТ 1497-84 из кокильных отливок, определяли твёрдость и механические свойства. Эти испытания

проводили на разрывной машине английской фирмы Testometric FS 150 KN AX. Используя полученную лигатуру Al+10%Sr, произвели модифицирование сплава АК9. Двойной Al+9%Si сплав получали из электротехнической проволоки алюминия марок А5-А7, ГОСТ 7871-75 и кристаллического кремния (Кр2, ГОСТ 2169-69).

Сплавление производили в печи электросопротивления типа СШОЛ в графит-шамотном тигле объёмом до 20 кг. По специально разработанной низкотемпературной технологии вводили кремний. Рафинирование расплава осуществляли таблетками из гексахлорэтана при температуре 720±10°С и разливали его в вафельные чушки толщиной 10-15 мм. В результате получали предварительный чушковый сплав, который далее подвергали модифицированию по специальной технологии.

В печи электросопротивления GRAFICARBO GF.1100 в тигле из стали готовили рабочий сплав для модифицирования. Масса и время плавки составили соответственно, 0.6 кг и 25-30 мин. Модифицирование расплава осуществляли лигатурами разного происхождения с разной структурой из расчёта 0.025-0.15% Sr. Заливали его в окрашенную стальную форму для получения плоской отливки размерами 130×60×15 мм. Выдержку расплава производили в печи с интервалом в восемь часов. Установлено, что высокий показатель механических характеристик сохраняется после переплава.

При последующей переплавке структура расплава передалась по наследованию из твёрдого в жидкое состояние, а характеристики сплава приобрели следующие показатели: σв = 295 МПа, δ = 9.0%. Кроме того, определён механизм воздействия стронция на структурные составляющие алюминиево-кремниевого сплава с содержанием последнего в нём 4-13.5%. С целью получения достаточного измельчения структуры концентрацию стронция в силуминах рекомендуется изменять от 0.03 до 0.1%. Это связано с выбором шихты и структуры лигатуры.

Рисунок. Изменение механических свойств сплава АК9, с

добавкой стронция, в зависимости от времени выдержки

Во время ввода модификатора Sr в доэвтектические силумины наблюдали за наследственным влиянием структур лигатур, полученных обычным и обработанным методами.

Первоначально исследовали модификаторы Al+10%Sr разных поставщиков: 1) ИГМЗ – Таджикистан; 2) LSM – Англия. Результаты анализов показали, что свойства указанных лигатур, не смотря на свой близкий химический состав, значительно отличаются (табл. 19) друг от друга. Более высокие свойства характерны для английской лигатуры, что сказалось на её электропроводности. Излом обоих модификаторов показал наличие пористости до пяти баллов и интерметаллидов SrAl4 размером около 500 мкм.

 

Таблица  – Характеристики лигатур Al+10%Sr

Для получения мелкокристаллических чушковых модификаторов использовали специальный метод обработки, сочетающий в себе перегрев и быструю кристаллизацию. На рисунке 29 приведены результаты исследований лигатур: А – чушковые лигатуры; Б – перегрев до 850 ºС и кристаллизация в графитовой форме; В – перегрев до 850 ºС, дегазация, кристаллизация в валковом кристаллизаторе (ВК); Г – перегрев до 1050 ºС и кристаллизация в ВК (толщина ленты 1.5 мм).

Рисунок. Результаты влияния методов обработки лигатуры

Al+10%Sr на средний размер SrAl4 и электропроводность

Можно видеть, что использование специальных способов обработки лигатур разных производителей позволяет уменьшить среднюю длину интерметаллидов SrAl4 до 30-50 мкм и меньше, а электропроводность повысить до 25.7 МСм/м.

Устойчивость к сохранению и наследованию структуры и, соответственно, электропроводности чушкового модификатора наблюдалась и после переплавки, перегрева (до 1050°С) и высокоскоростной кристаллизации. Специально обработанные модификаторы производства LSM имели максимальную измельченность. Незначительного уменьшения длины интерметаллидов с 500 до 320 мкм добились холодной деформацией (ковкой до 80 %).

Следующим этапом стало исследование двух видов лигатур Al+10%Sr на эффективность модифицирования двойного алюминиево-кремниевого сплава и промышленных силуминов. Микроструктура бинарного силумина показана на рисунке, где наблюдается наследственное влияние чушковых модификаторов различных производств. Кроме того, увеличение эффекта измельчения структуры сплава позволило добиться с уменьшением расхода модификатора LSM в два раза. Результаты по исследованию механических свойств образцов, полученных из опытных отливок, показаны на рисунке. Добавка малого количества стронция увеличивает показатели твёрдости и прочности, а также пластичности (до пяти раз), которая на других образцах достигала 15 процентов. Эксперименты доказали, что при более меньшем содержании стронция можно добиться увеличения механических свойств сплавов.

Модификаторы, полученные в Центре литейных технологий СамГТУ, использовали также для измельчения структуры промышленных сплавов алюминия. В данном случае применили чушковую лигатуру ИГМЗ, в составе которой содержание стронция уменьшили до 0.025%. В таблице 20 показаны результаты проведенных исследований, анализ которых показал, что при использовании лигатур специальной обработки физико-механические свойства сплавов значительно повышаются как в литом, так и в термообработанном состоянии.

 

Снимки микроструктур алюминиево-кремниевого сплава (9%Si), ×270: а – до модифицирования; б, в – после модифицирования чушковыми лигатурами производства ИГМЗ и LSM (добавка по 0.05% Sr); г – модифицирование специально обработанной лигатурой LSM по варианту Г (добавка 0.025% Sr)

К примеру, прочность и относительное удлинение в литом состоянии увеличиваются на 33%, т.е. в три раза, а после термообработки на 15% или в 1.6 раза. Полученные данные указывают на то, что в целях увеличения эффекта модифицирования необходимо контролировать режим термообработки так, чтобы снизить температуру и время выдержки сплавов.

Результаты влияния стронция на свойства сплава АК9ч

Рисунок. Результаты исследования механических свойств силумина Al+9%Si: ○ – чушковая лигатура ИГМЗ; ۞ – деформированная лигатура ИГМЗ; – валковые лигатуры ИГМЗ;  – чушковая лигатура LSM; – деформированная лигатура LSM; ● – немодифицированный сплав

 

Схожие результаты наблюдали и при модифицировании сплава марки АК9Т, в составе которого, в сравнении с АК9ч, содержатся титан до 0.2%, магний – 0.45% и отсутствует марганец. Наличие титана придало сплавам повышенную эффективность модифицирования с низким содержанием стронция до 0.01%.

 

Заключение

Традиционные технологии, используемые для повышения качества литых изделий из силуминов, до сих пор не учитывают наследственного влияния структуры и свойств шихтовых металлов. Такой подход не позволяет гибко, целенаправленно и эффективно управлять свойствами литого изделия. Существенным резервом в решении этой проблемы являются новые технологии генной инженерии, разработанные с учетом основных закономерностей структурной наследственности.

Механизм модифицирования связан с процессами адсорбции и локальными химическими реакциями в микрообъемах жидкого металла, что в различных сплавах дает различные результаты.