Эвтектические алюминиево-кремниевые сплавы широко применяются в различных отраслях техники для изготовления изделий методом литья и порошковой металлургии. Эксплуатационные характеристики изделий из силуминов в значительной степени определяются однородностью структуры и стабильностью свойств в различных сечениях отливки, а также морфологией Al-Si эвтектики, размером, формой роста первичных кристаллов [1].

Поэтому одной из приоритетных задач литейной технологии является направленное управление структурой и свойствами отливки на всех этапах передела. Наиболее эффективным является воздействие на металл в жидком состоянии и в ходе кристаллизации, поскольку при минимальных энергетических затратах для такой обработки можно в широких пределах управлять процессом структурообразования сплава.

Наряду с традиционным модифицированием, в качестве такой обработки в последнее время все шире используют методы, основанные на вибрационном воздействии на расплав (см., например, [2] и др.).

Эффективность такой обработки силуминов можно объяснить особенностями строения и кристаллизации силуминов. Система алюминий – кремний является типично эвтектической, что и обеспечивает высокий комплекс литейных свойств [3]. Ведущей фазой при эвтектической кристаллизации является кремний, который часто выделяется в виде пластин, резко снижающих механические свойства сплава в твердом состоянии. Расплавы силуминов вблизи температуры ликвидус имеют микрообласти эвтектического состава и высококремнистые микрообласти. Выбрав параметры вибрационного воздействия и кристаллизации отливки, можно управлять микроструктурой сплава.

Целью данной работы является изучение структуры и свойств литейного алюминиевого сплава, подвергнутого внешним воздействиям при кристаллизации с изменяющейся скоростью.

С этой целью исследовали влияние вибрационной обработки и скорости кристаллизации на макро- и микроструктуру вторичного алюминиевого сплава, близкого по составу к промышленному АЛ6.

Исследования проводили на образцах из вторичного силумина, содержащего порядка 12 %Si. Сплав выплавляли в электропечи и разливали при температуре 650 ^ОС. Сплав отливали в слитки размером 60×60мм, высота – 120мм.

Скорость охлаждения изменяли следующим образом: каждая сторона формы была из материала с резкоотличающейся теплопроводностью – асбест, медь, нержавеющая сталь. Один слиток кристаллизовался в обычных условиях, другой – в условиях наложения вибрационной обработки.

Ранее было установлено, что оптимальная частота составляет порядка нескольких десятков Гц. В данных экспериментах частота механических колебаний составляла 30Гц.

После кристаллизации отрезали головную часть слитка. Для исследований выбирали заготовку, которая располагалась примерно на середине отливки.

Травление проводили с помощью реактива Келлера. Структуру изучали на микроскопе Neophot-21 c увеличением ×100 и ×400. Микротвердость измеряли на микротвердомере ПМТ – 3 при нагрузке 0.2Н.

Изучение микроструктуры силумина после обработки по опытным режимам показало, что при обычных условиях (без виброобработки) кристаллизация сплавов происходит по обычному для эвтектик типу. Скорость охлаждения существенно повлияла на характер микроструктуры. Структура представляет собой алюминиевую матрицу, в которой располагаются частицы кремния.

В поверхностном слое при интенсивном охлаждении формируется мелкодисперсная смесь. Можно выделить участки с игольчатой формой и более крупные, так называемые, базовые кристаллы. На расстоянии уже несколько миллиметров от интенсивно охлаждаемой поверхности размер частиц возрастает. Появляются выделения кремния (сложной кубической сингонии) размером порядка 35 мкм. По терминологии Тарана Ю.Н. – это треугольные кристаллы и, преимущественно, – кубооктаэдры [3].

При медленном охлаждении формируется характерная структура участков алюминия с вытянутыми пластинами кремния. Зерна несколько вытянуты по направлению теплоотвода, и их средняя протяженность составляет 120мкм.

Необходимо отметить, что большая часть центральной зоны отливки была поражена порами. Средний размер пор составляет 62 мкм. Наличие пор, несомненно, ухудшает механические и эксплуатационные свойства отливки.

Характер формирующейся структуры виброобработанной отливки отличается от сравнительной. Практически во всей плоскости шлифа наблюдается достаточно равномерное распределение структурных составляющих. Видно, что даже при интенсивном охлаждении  формируется структура, напоминающая зеренную.

В центральных участках пористости практически не наблюдали. Можно отметить появление частиц кремния сложного кристаллического типа. Кроме того, в центральных зонах слитка, прошедшего виброобработку, наблюдаются крупные выделения кристаллов кремния. Однако, в отличие от необработанного, в этих кристаллах видны механические повреждения (трещины, сколы и т.п.). Можно встретить крупные выделения кремния размером 25-30 мкм.

Для оценки состояния алюминиевой матрицы использовали метод измерения микротвердости. Измерения показали, что у образца без виброобработки микротвердость матрицы заметно зависела от условий кристаллизации и составляла:

• в зоне с интенсивно охлаждаемой поверхностью: 679 Н/мм²;
• в зоне медленного охлаждения поверхности: 488 Н/мм²;
• в центральных участках (вдали от пор): ок. 500 Н/мм².

Все это можно объяснить заметным измельчением структуры у интенсивно охлаждаемой поверхности и влиянием хрупких твердых пластин кремния на микродеформацию алюминиевой матрицы. Так, микротвердость вблизи кремниевых частиц в любой зоне повышалось до 840 мкм.. Виброобработка вызвала более равномерное распределение микротвердости, которая изменялась от 460 до 600 Н/мм² по мере увеличения интенсивности охлаждения.

Если сравнивать микротвердость у виброобработанного образца и у образца без виброобработки, то ее понижение у первого может быть связано с тем, что при виброобработке часть пор распределилась по всему объему шлифа, а частично поры ушли наверх.

У виброобработанного образца отмечена некоторая неоднородность в доле кремния. Оценка показывает, что доля шлифа, занятая частицами кремния несколько возрастает по мере увеличения скорости охлаждения. В некоторой степени это можно объяснить появлением при медленном охлаждении крупных базовых частиц кремния, которые не всегда учитываются при измерении методом секущих.

Для виброобработанного образца были определены характерные размеры алюминиевой матрицы (d_ср – расстояние между выделениями кремния): для интенсивно охлаждаемой зоны d_ср = 103 мкм; в зоне медленного охлаждения d_ср = 216 мкм. Т.е., чем выше скорость охлаждения, тем дисперснее структура.

Таким образом, проведенные исследования показали, что, влияя на условия кристаллизации, можно эффективно управлять измельчением структуры силуминов. Проведение виброобработки кристаллизующейся отливки позволяет устранить образование пористости, обеспечивает равномерное распределение структуры, что в целом повышает свойства отливки.

1. Таран Ю.Н., Куцова В.З., Вейнов А.М. Закономерности монотектического структурообразования силуминов // Теория и практика металлургии, 2000, № 5.- С. 38 – 41.
2. Андрушевич А.А. Управление литой структурой алюминиевых сплавов при импульсной обработке // Литейное производство, 2001, № 5.- С. 12 – 14.
3. Таран Ю.Н., Мазур В.И. Структура эвтектических сплавов.- М.: Металлургия, 1978.- 312 с.
   
   

<< На начало