3.2 Вплив мікролегування Sr і Sc на морфологію евтектичного кремнію, структуру і фазовий склад сплаву ак7ч

Для отримання тонкодиференційованої структури і, як наслідок, підвищення характеристик міцності і пластичності сплавів системи Al-Si регулюють режими плавки, лиття та умови кристалізації виливків залежно від складу сплаву. Дієвим фактором, що визначає сприятливе структуроутворення сплавів, є модифікування. Зокрема, модифікування силумінів натрієм в кількості 0,01 % шляхом його введення у вигляді суміші солей NaF + NaCl + KCl, яке використовується на практиці, приводить до різкого збільшення диференціювання евтектики -Al+-Si [47]. Однак, цей процес супроводжується виділенням отруйних газів (F, Cl), а також характеризується нетривалим часом збереження ефекту модифікування (~40 хв).

У зв'язку з цим доцільним є модифікування сплавів лигатурами металів, які забезпечують ті ж зміни їх структури і властивостей, що і модифікування натрієм. Паралельно виникає завдання підбору відповідних лігатур.

Одним з можливих варіантів є використання добре зарекомендованих лігатур Al-Sr і Al-Sc [85-86]. Вплив стронцію на структуру і властивості ливарних сплавів системи Al-Si вивчено досить добре [46-54]. Відомості про вплив скандію на структуру і властивості силумінів практично відсутні. Відсутні також дослідження, в яких вивчався б спільний вплив стронцію та скандію на структуру силумінів. Отримані дані, що відповідають плану експерименту (див. табл.3.1, 3.2), відображені на рисунках 3.4 та 3.5.

Візуальний аналіз показує, що обрані незалежні змінні (кількість стронцію % Sr, кількість скандію % Sc, швидкість охолодження при кристалізації сплаву V_охол) чинять істотний вплив на структуроутворення досліджених сплавів.

Так, сплави, що закристалізовані зі швидкістю V_охол=10³К/с (№№ 4, 5, 11 і 14), і 10²К/с (№№3, 8), характеризуються руйнуванням суцільної сітки грубодиференційованої евтектики, значним подрібненням кремнієвої фази і її рівномірним розподілом за об’ємом виливки.

Структура сплавів, №№ 10 і 13 (V_охол=10²К/с), складається із слаборозгалужених дендритів -Al, в межосних просторах яких розташована тонкодиференцірована евтектика. Особливість сплаву № 10 полягає в нерівномірності структури: поряд з сильнорозгалуженими дендритами -Al спостерігається мале розгалуження.

Структура сплавів, виготовлених згідно кодів осередків №№ 2, 7, 9 і 16 (V_охол=6,67∙10^-3K/c), складається зі слаборозгалужених дендритів -Al і розміщеної в межосних просторах тонкодиференційованої евтектики. У сплаві 7 також спостерігається нерівномірність структури, пов'язана з наявністю ділянок, де інтерметалідні фази виділяються у вигляді грубих гострих пластин.

Таблиця 3.2 - Кількість елементів-модифікаторів і швидкість охолодження при кристалізації сплаву типу АК7ч відповідно до плану експерименту з латинських ортогональних квадратів (у дужках наведені реальні концентрації модифікаторів в сплавах)

1 Sr1=0 Sc1=0 Vохл1=6,67∙10-4K/c	1 Sr2=0,05(0,049)% Sc2=0,1(0,112)% Vохл2=6,67∙10-3K/c	3 Sr3=0,1(0.098)% Sc3=0,3(0.331)% Vохл3=102K/c	4 Sr4=0,2(0.223)% Sc4=0,5(0.522)% Vохл4=103K/c
5 Sr2=0,05(0.052)% Sc3=0,3(0.326)% Vохл4=103K/c	6 Sr3=0,1(0.111)% Sc4=0,5(0.509)% Vохл1=6,67∙10-4K/c	7 Sr4=0,2(0.198)% Sc1=0 Vохл2=6,67∙10-3K/c	8 Sr1=0 Sc2=0,1(0.115)% Vохл3=102K/c
9 Sr3=0,1(0.111)% Sc4=0,5(0.509)% Vохл2=6,67∙10-3K/c	10 Sr4=0,2(0.198)% Sc1=0 Vохл3=102K/c	11 Sr1=0 Sc2=0,1(0.115)% Vохл4=103K/c	12 Sr2=0,05(0.052)% Sc3=0,3(0.326)% Vохл1=6,67∙10-4K/c
13 Sr4=0,2(0.194)% Sc2=0,1(0.099)% Vохл3=102K/c	14 Sr1=0 Sc3=0,3(0.313)% Vохл4=103K/c	15 Sr2=0,05(0.051)% Sc4=0,5(0.497)% Vохл1=6,67∙10-4K/c	16 Sr3=0,1(0.102)% Sc1=0 Vохл4=103K/c

1 2 3 4

5 6 7 8

9 10 11 12

13 14 15 16

Рисунок. 3.4- Мікроструктури сплаву АК7ч, отримані відповідно до плану експерименту, х100

Структура сплавів, виготовлених згідно кодів осередків №№ 6, 12 і 15 (V_охол=6,67*10^-4К/с), складається із слаборозгалужених дендритів, в межосних просторах яких розташована більш груба евтектика в порівнянні зі зразками попередньої групи. Крім того, в структурі присутня значна кількість інтерметалідних з'єднань пластинчастої та склоподібної форми.

1 2 3 4

5 6 7 8

9 10 11 12

13 14 15 16

Рисунок 3.5- Мікроструктури сплаву АК7ч,отримані відповідно до плану експерименту: №№ 1, 2, 6, 7, 9, 12, 15, 16 – х500; №№ 3, 4, 5, 8, 10, 11, 13, 14 – х1000

Методом рентгеноструктурного аналізу визначили, що невеликі добавки Sr (0,05%) призводять до утворення сполуки стронцію з кремнієм (SrSi). Підвищення вмісту стронцію до 0,1% призводить до виникнення фази AlSr за умови великої кількості скандію (0,5 %). При подальшому збільшенні вмісту стронцію до 0,2% в сплавах, що не містять скандію, також утворюється фаза Al₄Sr, а в сплавах зі скандієм – AlSr. При додаванні 0,1% Sc виникає фаза ScSi. З підвищенням вмісту в сплаві Sc до 0,3... 0,5% також утворюється з'єднання Al₃Sc (рисунок 3.6). Зміна інтенсивності ліній інтерметалідних фаз в сплаві, що містить комплекс стронцій–скандій, дозволяє судити про зміну їх кількісного співвідношення в структурі (таблиця 3.3).

Таблиця 3.3 – Інтерметалідні з’єднання, що утворені в сплаві АК7ч при введенні Sr і Sc

%Sr	%Sc	Фаза	Тип решітки	Параметри решітки, Å	Джерело ідентифікування
0.05	0-0.5	SrSi	Орторомбічна	a=4,83 b=11,33 c=4,04	Картотека JCPDS № 16-8
0.1-0.2	0.1-0.5	AlSr	Кубічна	a=15,8	Картотека JCPDS № 7-380
0.2	-	Al4Sr	Тетрагональная	а=4,46; с=11,07	7
0.05-0.2	0.1	ScSi	Орторомбічна	a=3,988 b=9,882 c=3,659	Картотека JCPDS № 18-1161
0.05-0.2	0.3-0.5	Al3Sc	Кубічна	а=4,106	7

Для кількісного аналізу отриманих даних функції відгуку (кількість евтектичній складової Е, розміри кристалів евтектичного кремнію D, параметр форми A кристалів евтектичного кремнію і відстань L між кристалами кремнію в евтектиці, твердість евтектичній складової Н) визначали за стандартними методиками. Результати кількісного аналізу мікроструктури представлені в таблиці 3.4.

При введенні стронцію в кількості до 0,05 % відбувається незначне збільшення кількості евтектики (з 52 до 54 %). Збільшення концентрації стронцію до 0,1...0,2 % призводить до зменшення кількості евтектичної складової до 47%.

a

б

Рисунок. 3.6- Схеми дифрактограм сплаву АК7ч:

а – вихідного складу, б – сплаву, що містить комплекс 0,1%Sr-0.5%Sc

Максимум на кривій частинної залежності кількості евтектики від стронцію в сплаві типу АК7ч відповідає 0, 05 % Sr. Введення скандію в сплав типу АК7ч в усьому інтервалі вивчених концентрацій монотонно підвищує кількість евтектичної складової з 35 до 54 % (див. рисунок 3.7).

На відносних залежностях розміру, параметру форми кристалів евтектичного кремнію і відстані між кристалами кремнію в евтектиці (див. рисунок 3.8 - 3.10) від концентрації елементів–модифікаторів спостерігається мінімум для зазначених кількісних характеристик структури – при вмісті стронцію – 0,05... 0,1 %, скандію – 0,3 %: при 0,05... 0,1 % Sr розмір кристалів евтектичного кремнію зменшується з 4,4 до 2,2 мкм, параметр форми – з 5,7 до 2,2, відстань між кристалами кремнію в евтектиці зменшується з 1,6 до 1 мкм.

Таблиця 3.4 – Кількісні характеристики структури (в дужках вказані дійсні значення вмісту стронцію і скандію)

№	% Sr	%Sc	Vохл, K/c	E, %	D, мкм	A	L, Мкм
1	0	0	6,67*10-4	27,34	28,53	5,29	8,48
2	0,05(0,049)	0,1(0,112)	6,67*10-3	30,92	3,68	2,62	1,65
3	0,1 (0,098)	0,3(0,331)	100	80,00	0,88	1,96	0,74
4	0,2 (0,223)	0,5(0,522)	1000	100,00	0,78	1,71	0,38
5	0,05(0,052)	0,3(0,326)	1000	100,00	0,78	1,88	0,36
6	0,1 (0,111)	0,5(0,509)	6,67*10-4	18,78	22,2	3,83	8,68
7	0,2(0,198)	0	6,67*10-3	27,06	2,46	1,84	1,77
8	0	0,1(0,115)	100	100,00	0,67	1,38	0,59
9	0,1(0,111)	0,5(0,509)	6,67*10-3	22,35	3,87	2,03	2,30
10	0,2(0,198)	0	100	92,18	0,55	1,34	0,42
11	0	0,1(0,115)	1000	100,00	0,66	1,74	0,44
12	0,05(0,052)	0,3(0,326)	6,67*10-4	21,48	12,5	5,38	3,18
13	0,2(0,194)	0,1(0,099)	100	100,00	0,53	1,46	0,44
14	0	0,3(0,313)	1000	100,00	0,66	1,69	0,47
15	0,05(0,051)	0,5(0,497)	6,67*10-4	17,27	10,88	2,84	3,74
16	0,1(0,102)	0	6,67*10-3	27,06	2,63	2,28	1,57

Рисунок 3.7 - Відносні залежності кількості евтектичній складової від вмісту стронцію, скандію і швидкості кристалізації в сплаві АК7ч

Рисунок 3.8 - Відносні залежності розміру кристалів евтектичного кремнію від вмісту стронцію, скандію і швидкості кристалізації в сплаві АК7ч

Рисунок 3.9- Відносні залежності параметра форми кристалів кремнію в евтектиці від вмісту стронцію, скандію і швидкості кристалізації в сплаві АК7ч

Рисунок 3.10- Відносні залежності відстані між кристалами кремнію в евтектиці від вмісту стронцію, скандію і швидкості кристалізації в сплаві АК7ч

При вмісті скандію 0,3% Sc розмір кристалів евтектичного кремнію зменшується з 5,2 до 1,1 мкм, параметр форми – з 2,5 до 1,7, відстань між кристалами кремнію - з 1,5 до 0,8 мкм. Таким чином, введення стронцію та скандію в зазначених кількостях призводить до максимальної диференційовки евтектики. З підвищенням швидкості охолодження при кристалізації монотонно збільшується кількість евтектики, значно зменшується розмір, параметр форми кристалів евтектичного кремнію, міжчасткова відстань в евтектиці, тобто підвищується диференційовка евтектики.

Результати вимірювання параметра кристалічної решітки алюмінієвого твердого розчину в сплаві АК7ч вихідного складу і з добавками стронцію та скандію представлені на рисунку 3.11.

Форма та інтенсивність дифракційного максимуму (420) -алюмінієвого твердого розчину (рисунок 3.12) в досліджених сплавах незазнають значних змін, що говорить про незначні зміни рівнів внутрішніх мікронапружень, мікровикривлень і ступеня легування.

Рисунок 3.11- Параметр кристалічної решітки алюмінієвого твердого розчину в сплаві АК7ч у вихідному немодифікованому стані і з добавками стронцію та скандію: 1 - вихідний немодифікований V_охл¹ = 6,67∙10^-4K/c; 4 - Sr₄=0,2%, Sc₄=0,5%, V_охл⁴=10³K/c; 6 - Sr₃=0,1%, Sc₄=0,5%, V_охл¹=6,67∙10^-4K/c; 9 - Sr₃=0,1%, Sc₄=0,5%, V_охл²=6,67∙10^-3K/c ; еталон - відпалений протягом 16 годин з подальшим охолодженням з піччю алюміній марки А999

а

б в

г д

Рисунок 3.12- Вплив мікролегування і швидкості охолодження при кристалізації на форму та інтенсивність дифракційного максимуму (420)α- Al у сплавові АК7ч: а – еталон; б – сплав АК7ч вихідного складу (№1); в –містить0,2% Sr и 0,5% Sc, 1000 К/с (№4); г - містить0,1% Sr та 0,5% Sc, 6,67∙10^-3 К/с (№9); д – містить 0,1% Sr 6,67∙10^-4 К/с (№9)