Влияние газофлюсовой обработки расплава на структуру и механические свойства силумина

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние газофлюсовой обработки расплава на структуру и механические свойства силумина

Шляпцева А.Д.

Аннотация

Показано, что газофлюсовая обработка сплава АК12 позволяет эффективно воздействовать на структуру эвтектического силумина, и повышает его механические свойства. Наибольший эффект модифицирования достигается при совместной обработке расплава газом и солевой композицией, в состав которой входят поверхностно-активные вещества и вещества, образующие дополнительные центры кристаллизации.

Ключевые слова: Силумины, модифицирование, газофлюсовая обработка, структура, механические свойства.

It is shown that treatment gas flux alloy AK12 can effectively affect the eutectic structure of silumin and enhances its mechanical properties. The greatest modification effect is achieved through the mutual co-processing of melt by gas and salt composition. It comprises surfactants and substances that form additional nucleation sites.

Keywords: silumin, modification, gas flux processing, structure, mechanical properties.

Разработка модифицирующих составов, позволяющих одновременно диспергировать все фазовые составляющие силуминов, значительно повышая при этом физико-механические и эксплуатационные свойства сплава, является актуальной задачей. При этом новые эффективные универсальные модификаторы должны обладать рядом важных качеств: полное усвоение расплавом, дегазирующая способность, минимальное шлакообразование, низкая стоимость. Эти обстоятельства обеспечивают постоянно возрастающий интерес к использованию углеродосодержащего сырья различного структурного состояния (графит, сажа, углекислые соли, карбиды, фуллерены, нанотрубки, газообразные углеродосодержащие вещества и др.).

Согласно литературным данным, введение углерода, находящегося в несвязанном состоянии, совместно с другими химическими элементами приводит к изменению механизма кристаллизации расплава силумина, сопровождающегося изменением поверхностного натяжения и химическими реакциями образования карбидов [1]. Модифицирующий эффект при образовании карбидов объясняется наибольшим размерным и структурным подобием карбидов с кристаллической решеткой алюминия или кремния.

Наиболее широко в литейном производстве для модифицирования силуминов используют различные флюсы, в частности, содержащие фтористые и хлористые соли натрия. Однако некоторыми исследователями отмечается особая эффективность обработки расплава различными газофлюсовыми составами. Такая обработка обеспечивает получение наибольшего эффекта рафинирования и модифицирования по отношению к только флюсовой обработке. Введение в струю газа дисперсного порошка флюса (солевой композиции) позволяет повысить эффективность использования как газа, так и флюса, что в последствие приводит к увеличению механических свойств силуминов [2, 3].

Согласно ранее проведенным исследованиям [4], для эффективного комплексного воздействия на структуру и механические свойства силуминов в состав модификатора должны входить компоненты, образующие в расплаве ультрадисперсные карбидные частицы, поверхностно-активные компоненты, а также компоненты, создающие в расплаве дополнительные центры кристаллизации.

Исходя из вышеизложенного, в настоящей работе изучали возможность повышения механических свойств сплава АК12 при обработке расплава углеродосодержащим газом Фреон12 и инертным газом аргоном, совместно с введением в расплав различных солевых модифицирующих композиций, содержащих графит, барий - как поверхностно-активный элемент, а также титан, создающий в расплаве дополнительные центры кристаллизации.

Методика проведения эксперимента

В качестве модельного сплава для исследований был выбран сплав АК12 (АЛ2). Введение в сплав АК12 модифицирующих компонентов - титана, бария и углерода производилось с помощью следующих материалов: фтортитаната калия (ТУ 6-09-4200-76); карбоната бария (ГОСТ 2149-75); графита порошкообразный (ГОСТ 23463-79); фреона12 (R12) (ГОСТ 19212-87). В качестве инертного газа использовали аргон (ГОСТ 10157-79). Количество вводимых солевых композиций определялось из расчета количества модифицирующего элемента: 0,2% Ti, 0,3% Ba, 0,2% С (графит) по массе от веса плавки. Модифицирующую солевую композицию, состава (K2TiF6+BaCO3+С), на основании ранее проведенных исследований [4], вводили в расплав в количестве 2,5% от веса плавки.

Расплав предварительно дегазировали аргоном. При температуре 760-770°С проводилась газофлюсовая или без флюсовая обработка расплава. Затем расплав выстаивали, после чего с поверхности расплава снимали шлак. При температуре расплава 710°С в песчано-глинистую форму производили заливку образцов для механических испытаний.

Сбор информационных данных по температуре расплава производили с помощью термопары и модуля USB-9162А компании National Instruments. Запись температур производилась на компьютер с помощью специально написанной программы в инженерной среде Lab View 7.1.

Результаты исследований

Сравнение полученных данных механических испытаний (табл. 1) показало, что продувка фреоном 12 оказывает модифицирующее воздействие на сплав АК12: по сравнению с немодифицированным сплавом относительное удлинение возрастает с 2,08 до 5,66%, предел прочности увеличивается с 152 до 165 МПа. В микроструктуре опытного сплава по сравнению со структурой немодифицированного сплава (рис.1а) наблюдается частичное облагораживание и измельчение частиц кремния в эвтектике (рис. 1г).

Таблица 1

Результаты механических испытаний

Введение в сплав карбоната бария так же обеспечивает повышение относительного удлинения сплава АК12 с 2,08% до 4,15%, в микроструктуре наблюдается измельчение эвтектического кремния, неравномерное по объёму опытного сплава (рис.1в). Газофлюсовая обработка расплава фреоном и карбонатом бария позволяет усилить модифицирующий эффект: относительное удлинение возрастает до 5,5%, увеличивается предел прочности, в микроструктуре сплава кроме измельчения кремния в эвтектике, наблюдается большее упорядочивание структуры б-твёрдого раствора (рис. 1е). Однако данная газофлюсовая обработка не приводит к повышению механических свойств сплава по сравнению со сплавом обработанным фреоном без солевых композиций.

газ солевой фреон температура

а) без модифицирования б) K2TiF6

в) BaCO3 г) R12

д) R12 + K2TiF6 е) R12 + BaCO3

ж) K2TiF6 + С з) K2TiF6 + BaCO3

Рис. 1 - Микроструктура сплава АК12, обработанного опытными составами, Ч500

а) K2TiF6 + BaCO3 + С б) R12 + K2TiF6 + С

в) R12 + K2TiF6 + BaCO3 г) R12 + K2TiF6 + BaCO3 + С

д) R12 + Ar е) Ar + K2TiF6 + BaCO3 + С

Рис. 2 - Микроструктура сплава АК12, обработанного опытными составами, Ч500

Более значительное повышение механических свойств сплава АК12 наблюдается при его обработке солью K2TiF6: относительное удлинение увеличивается по сравнению со сплавом, обработанным карбонатом бария, с 4,15% до 6,8%. По микроструктуре опытного сплава видно, что добавка титана влияет на кристаллизацию эвтектики и б-твёрдого раствора. Происходит измельчение структурных составляющих (рис. 1б). Газофлюсовая обработка расплава K2TiF6 с фреоном не приводит к увеличению механических свойств сплава. В модифицированной структуре опытного сплава частицы эвтектического кремния значительно измельчены, но имеют иглообразную форму (рис. 1д). При этом в структуре присутствуют отдельные недомодифицированные участки, тогда как в сплаве, обработанном только K2TiF6 их практически нет.

Введение в расплав композиции солей BaCO3 и K2TiF6 обеспечивает повышение относительного удлинения до 7,7%. Композиция (K2TiF6 + BaCO3) оказывает воздействие на микроструктуру сплава, подобное воздействию соли K2TiF6: неравномерное измельчение и облагораживание частиц кремния в эвтектике, упорядочивание структуры сплава (рис. 1з). При газофлюсовой обработке расплава фреоном и смесью (K2TiF6+BaCO3) резко увеличивается модифицирующий эффект, возрастает степень измельчения структуры (рис. 2в) и повышаются механические свойства сплава АК12: предел прочности достигает 188 МПа, относительное удлинение сплава - 9,01%.

Введение графита в солевую композицию с фтортитанатом калия приводит к понижению уровня механических свойств и огрублению кремния в эвтектике. Эта закономерность наблюдается при обработке расплава данной смесью как без продувки фреоном (рис. 1ж), так и при газофлюсовой обработке расплава (рис. 2б): без продувки фреоном относительное удлинение падает с 6,80% до 6,00%, с продувкой фреоном - с 6,80% до 5,48%.

Применение модифицирующей солевой композиции состава (K2TiF6 + BaCO3 + С) увеличивает степень измельчения структуры сплава АК12 (рис. 2а) и позволяет существенно повысить его механические свойства (относительное удлинение возрастает с 7,7% до 11% по сравнению со сплавом, обработанным (BaCO3+K2TiF6)). Газофлюсовая обработка расплава АК12 данной солевой композицией с фреоном так же позволяет получить высокие механические свойства сплава, однако, относительное удлинение сплава снижается с 11% до 9,4%, по сравнению со сплавом, обработанным тем же составом, но без продувки фреоном. Полученный сплав характеризуется упорядоченной структурой, измельчением дендридов б-твердого раствора и равномерным распределением и измельчением частиц кремния в эвтектике (рис. 2г).

Помимо основных результатов исследований, представленых выше, были проведены дополнительные исследования по определению влияния на структуру и механические свойства сплава АК12, совместной продувки фреоном и аргоном, а также газофлюсовой обработки аргоном и солевой композицией состава (K2TiF6 +BaCO3 + С).

Сравнение полученных результатов механических испытаний показало, что совместная продувка фреоном и аргоном оказывает модифицирующее воздействие на сплав АК12 и позволяет получить механические свойства (относительное удлинение - 5,4%, предел прочности - 161 МПа) на уровне сплава, обработанного фреоном. В микроструктуре опытного сплава наблюдается частичное измельчение эвтектики (рис. 2д).

Газофлюсовая обработка расплава аргоном и солевой композицией (K2TiF6 + BaCO3 + С) оказывает значительное модифицирующие воздействие на микроструктуру сплава (рис. 2е) и, как следствие, обеспечивает высокие механические свойства сплава АК12 (относительное удлинение - 10,81%, предел - 183 МПа) на уровне сплава, обработанного составом (K2TiF6 + BaCO3 + С), введённым на поверхность расплава.

Согласно ранее проведенным исследованиям [4] модифицирующее воздействие солевой композиции состава (K2TiF6 +BaCO3 + С) на сплав АК12 объясняется переходом в расплав модифицирующих элементов - титана и бария, а также протеканием экзотермических реакций синтеза карбидов, которые могут служить дополнительными центрами кристаллизации и являться модификаторами б-твердого раствора в эвтектическом силумине.

Можно предположить, что такой же механизм реализуется и при модифицировании сплава АК12 фреоном совместно с солевой композицией (K2TiF6 + BaCO3). Исследования изменения температуры расплава в процессе продувки (рис. 3) показало, что при обработке расплава фреоном резко повышается его температура с 760оС до 873°С, что указывает на протекание в расплаве экзотермических реакций, возможно являющихся реакциями синтеза карбидов [5].

Рис. 3 - Изменение температуры в расплаве АК12 при обработке фреоном 12 совместно с солевой композицией (K2TiF6 + BaCO3)

Эффективность обработки расплава фреоном во многом обусловлена так же тем, что, согласно ранее проведенным исследованиям [6], фреон оказывает рафинирующее воздействие на расплав силумина.

Заключение

На основании полученных результатов сделан вывод, что обработка расплава силумина фреоном оказывает модифицирующее воздействие на структуру сплава, а также усиливает модифицирующий эффект для большинства рассмотренных солевых композиций. В результате обработки сплава АК12 фреоном механические свойства опытных сплавов значительно повышаются, наблюдается модифицированная структура. Перспективной является газофлюсовая обработка сплава АК12 фреоном и солевой композицией (BaCO3+K2TiF6), оказывающая комплексное модифицирующее воздействие на различные структурные составляющие литейных алюминиевых сплавов.

Анализ результатов проведенной работы показал перспективность исследований по применению в качестве модификаторов силуминов углеродосодержащих материалов, в частности газа из группы фреонов. Наиболее высокие механические свойства достигаются за счёт газофлюсовой обработки расплава, ввиду обеспечения равномерного распределения модифицирующего флюса по всему объему расплава, а так же увеличения поверхности контакта металл - флюс.

Исследование проводится при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе «УМНИК» в рамках договора №7166ГУ2/2015 от 03.08.2015 года.

Литература

1. Изотов В.А., Чибирнова Ю.В. Способ модифицирования алюминия и алюминиево-кремниевых сплавов (силуминов) углеродом / Патент RU № 2538850, 10.01.2015, бил. №1.

2. Кузмичев Л.В., Малиновский Р.Р. Рафинирование алюминиевых сплавов продувкой смесью газов с флюсом // Цв. Металлы. 1973. №3.
С. 43-45.

3. Колачев Б.А., Тимошкин А.В. Влияние внепечной обработки алюминиевого расплава на газонасыщенность отливок из сплава АК9ч (АЛ4) // Известия вузов. Цв. металлургия. 2002. №1. С. 31-32.

4. Петров И.А., Ряховский А.П., Моисеев В.С., Бобрышев Б.Л., Шляпцева А.Д. Перспективы использования углеродосодержащего материала для обработки силуминов // Литейщик России. 2016. №1.
C. 28-32.

5. Луц А.Р., Амосов А.П., Ермошкин А.А., Ермошкин А.А., Никитин К.В., Тимошкин И.Ю. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез высокодисперсной фазы карбида титана из смесей порошков в расплаве алюминия// Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2013. №3. С. 28-35.

6. Томович С, Томович М, Ачимович З., Гулишия З. Влияние дегазации алюминиевых сплавов газовой смесью азота и фреона на качество отливок // Литейное производство. 1994. №7. C. 12-13.

Размещено на Allbest.ru