Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Строение и свойства металлических расплавов. Учебное пособие
.pdf
61
Влияние ТВОР на микроструктуру лигатур AlSi12 и AlSi20
Способ обработки
AlSi12
Сплав AlSi20
Dср α-Al, мкм
Dср Siп, мкм
Без ТВОР
92
235
ТВОР в течение 5 мин
60
221
ТВОР в течение 10 мин
42
150
ТВОР в течение 20 мин
36
78
а б в
г д е
Рис. 4.3. Влияние ТВО на микроструктуру лигатур:
а-в – AlSi12 (а – без ТВО; б – ТВО 5 мин; в – ТВО 10 мин);
г-д – AlSi20 (г – без ТВО; д – ТВО 10 мин); е – ТВО 20 мин
Таблица 4.4
Таким образом, применение ТВО расплавов способствует повышению плотности лигатур, измельчению структурных составляющих
и, как следствие, повышению электропроводности. На основании об-
62
Рис. 4.4. Номограмма для экспрессного контроля структуры лигатур AlSi20:
КП – крупнокристаллические пластинчатые; С – смешанная морфология;
МБ – микрокристаллические блочные Si
п
КП
С
МБ
работки большого массива экспериментальных результатов в системе
«параметры микроструктуры – электропроводность» была построена
номограмма для экспрессного контроля микроструктуры лигатуры
AlSi20 по значениям электропроводности (рис. 4.4).
Рассмотрим более подробно влияние магнитно-импульсной обработки расплавов на примере промышленного силумина АК6М2
(ГОСТ 1583-93) [44]. Данный сплав применяется на ОАО АВТОВАЗ
(г. Тольятти) для изготовления головки блока цилиндров литьем в кокиль. Эксперименты проводились в Центре литейных технологий
СамГТУ на установке, разработанной и изготовленной специалистами научно-исследовательской лаборатории НИЛ-41 СГАУ [37].
63
а
б
Рис. 4.5. Схемы магнитно-импульсной обработки расплавов:
а, б – радиальная и осевая схемы воздействий; 1 – расплав; 2 – индуктор; 3 – тигель
Магнитно-импульсная обработка может быть реализована по
двум схемам воздействия: радиальной и осевой (рис. 4.5), которые
различаются расположением индуктора относительно расплава, находящегося в тигле плавильной печи. В радиальной схеме воздействия витки индуктора располагаются вокруг внешней поверхности
тигля. В осевой схеме – индуктор размещается над зеркалом расплава
на расстоянии не более 5 мм.
Результаты компьютерного моделирования по распространению
ударной волны после единичного импульса при разных схемах воздействия показаны на рис. 4.6. При радиальном воздействии ударные
волны распространяются от стенок тигля в центральные объемы
расплава, где происходит их «схлопывание». После этого возникает
так называемая отраженная ударная волна, распространяемая уже в
обратном направлении: от центра к стенкам тигля. Обработка всего
объема расплава при данной схеме воздействия за счет прямой и
отраженной волн происходит за очень короткое время (40 мкс). При
осевой схеме воздействия распространение волны по всему объему
расплава протекает за более длительный промежуток времени
(416 мкс) по сравнению с радиальной схемой. При этом отраженная
волна формируется от всех образующих внутренней поверхности
тигля.
64
Результаты компьютерного моделирования показали наличие
Рис. 4.6. Кинематика распространения ударной волны по объему расплава
в зависимости от схемы воздействии:
а, б – радиальная и осевая схемы воздействий соответственно
силовых факторов при магнитно-имульсной обработке (МИО)
расплавов в виде ударных волн, которые возникают в упругой среде
(расплаве) при прохождении через нее электромагнитного импульса,
и позволили оценить их роль в механизме формирования структуры и
свойств сплавов при данном виде физического воздействия.
Общий вид установки в работе по осевой схеме воздействия
представлен на рис. 4.7. Расплав при температуре 750 ± 10 °С обрабатывали импульсами в количестве 10 шт. при энергии разряда 1,5 кДж.
Далее при этой же температуре его дегазировали препаратом «Дегазер» и рафинировали порошкообразным флюсом «ФНК-А». Порядок
отбора проб на механические испытания, плотность и металлографическое исследование представлен в табл. 4.5.
65
№
пробы*
Операция
1
Перегрев расплава до 750 + 100 °С, съем шлака, перемешивание
2
МИО расплава, выдержка после обработки 2 мин
3
Обработка расплава флюсом «ФНК-А» и «Дегазером». Выдержка после обработки 15 мин
4
Повторная обработка МИО расплава. Выдержка после обработки
60 мин
а б в
Рис. 4.7. Обработка расплава магнитно-
импульсными полями в тигле плавильной
печи сопротивления по осевой схеме
воздействия:
а – общий вид установки; б – индуктор во время
обработки; в – индуктор и зеркало расплава после
обработки
Таблица 4.5
Порядок отбора проб при обработке расплава АК6М2
по осевой схеме воздействия
*Заливка отдельно отлитых в кокиль образцов на механические испытания.
Влияние МИО на физико-механические свойства сплава АК6М2
в литом состоянии представлены в табл. 4.6. Из представленных результатов видно, что после обработки расплава магнитноимпульсными полями по осевой схеме воздействия 10 импульсами
66
при энергии разряда 1,5 кДж плотность и электропроводность сплава
№
пробы
Физические свойства
Механические свойства
ρ, г/см
3
γ, МСм/м
σв, МПа
δ, %
1
2,708
17,4
187,0
5,7
2
2,715
17,8
236,0
7,2
3
2,719
17,8
237,0
7,9
4
2,716
17,6
212,0
7,5
незначительно увеличиваются с 2,708 до 2,715 г/см3 и с 17,4 до
17,8 МСм/м соответственно (пробы 1 и 2). Увеличение электропроводности сплава свидетельствует об измельчении его основных
структурных составляющих. После рафинирования, дегазации и повторного воздействия МИО данные физические свойства стабилизируются и практически не меняются. Наиболее существенные изменения отмечены в значениях механических свойств. Так, непосредственно после МИО предел прочности и относительное удлинение увеличились на 26 % (проба 2). Последующие рафинирование и дегазация (проба 3) способствовали незначительному росту предела прочности и пластичности сплава по сравнению с расплавом, обработанным импульсными магнитными полями (проба 2). Следует отметить,
что эффект от обработки сохранялся практически на протяжении 1 ч.
Так, по результатам механических испытаний (проба 4) после такой
выдержки предел прочности несколько снизился, но при этом оставался на 13 % выше относительно исходного состояния (проба 1).
Относительное удлинение изменилось незначительно и сохранило
устойчиво повышенные значения – 7,5 %, что на 30 % выше по сравнению с исходным сплавом.
Таблица 4.6
Влияние МИО на физико-механические свойства сплава АК6М2
(литое состояние)
В табл. 4.7 представлены результаты металлографических исследований структуры сплава АК6М2. Видно, что непосредственно после обработки расплава магнитно-импульсными полями (проба 2)
произошло наиболее ощутимое измельчение основных структурных
67
Рис. 4.8. Влияние МИО на микроструктуру сплава АК6М2:
а-г – дендриты α-Al (×100); д-з – кристаллы Siэ (×500);
а, д – проба 1; б, е – проба 2; в, ж – проба 3; г, з – проба 4
составляющих: размер дендритов α-Al уменьшился на 23 %, кристал-
№ пробы
Параметры дендритов α-Al
Параметры Siэ
Средний
размер, мкм
Количество,
шт/мм2
Средний
размер, мкм
Количество,
шт/мм2
1
35
704
7,1
4880
2
27
1205
6,4
6000
3
31
960
6,9
6200 4 29
1041
6,7
6800
лов Siэ – на 10 %. При этом количество данных фаз увеличилось в 1,7
и 1,23 раза соответственно. Последующие рафинирование и дегазация расплава несколько снизили эффект от МИО (проба 3). Это, вероятно, связано с тем, что вместе с удалением нерастворимых неметаллических включений из расплава частично удаляются и унаследованные центры кристаллизации, что и вызывает укрупнение структурных составляющих в твердых сплавах. Повторная обработка магнитными полями снова оказывает модифицирующий эффект на
структуру сплава АК6М2 (проба 4).
Таблица 4.7
Влияние МИО на параметры микроструктуры сплава АК6М2
Изображения микроструктур сплава, на которых выполнялся металлографический анализ, представлены на рис. 4.8.
68
Таким образом, проведенные исследования показали, что обработка расплава магнитно-импульсными полями оказывает устойчивое
модифицирующее воздействие на основные фазовые составляющие
сплавав в твердом состоянии. Уменьшение размеров фаз способствует росту предела прочности и относительного удлинения сплава в литом состоянии. Применение МИО и рафинирующе-дегазирующей
обработки обусловливает дополнительное увеличение механических
свойств. Однако анализ микроструктуры показал, что магнитноимпульсную обработку целесообразно производить после очистки
расплава от неметаллических и газовых включений.
Обработку расплавов на основе алюминия электромагнитными
акустическими полями (ЭМАП) производили в Центре литейных
технологий СамГТУ (работы И.Ю. Тимошкина) по схеме, приведенной на рис. 4.9.
Рис. 4.9. Схемы обработки расплавов ЭМАП:
1 – расплав; 2 – тигель; 3 – печь сопротивления; 4 – генератор ЭМАП
69
Обработке ЭМАП подвергали лигатурные расплавы AlSi12 и
AlSi20, которые готовили с использованием кристаллического крем-
ния фракцией 5 ÷ 10 мм. Кремний вводили двумя (AlSi12) и тремя
(AlSi20) порциями. Замкнутый контур стальной петли-антенны погружали в расплавы после ввода каждой порции и осуществляли воздействие в течение 1 мин. В процессе экспериментов варьировали
частоту электромагнитного поля, наводимого в петле-антенне: 500,
1000 и 2000 кГц. После обработки расплавы перегревали до температуры литья, рафинировали, дегазировали и заливали в кокиль, получая прутковые лигатуры диаметром 20 мм и длиной 170 мм. Во всех
случаях было установлено, что обработка расплавов ЭМАП способствовала снижению вязкости расплавов и сокращению времени растворения тугоплавких добавок. Общее время приготовления расплавов с использованием ЭМАП сокращалось в 1,2-1,5 раза. Влияние обработки расплавов ЭМАП на структуру лигатур в твердом состоянии
представлено на рис. 4.10 и в табл. 4.8. Видно, что данный способ
жидкофазной обработки приводит к измельчению дендритов алюминия в 1,36 (лигатура AlSi12), эвтектического кремния Siэ – в 1,3 и 1,6
(лигатуры AlSi12 и AlSi20 соответственно), первичного кремния Siп –
в 1,5 раза (лигатура AlSi20).
Измельчение фазовых составляющих в литой структуре лигатур
при обработке расплавов ЭМАП объясняется следующим. Электромагнитные волны, генерируемые контуром антенны, которая погружена в расплав, преобразуются в упругой среде в акустические волны
низкочастотного ультразвукового диапазона. Прохождение таких
волн по объему расплава вызывает интенсивные металлопотоки и перераспределение твердых тугоплавких частиц шихтовых металлов.
При этом снижается поверхностное натяжение на границе «тугоплавкая частица – дисперсионная среда», улучшается смачивание и увеличивается площадь поверхности контакта. За счет данных эффектов
алюминиевый расплав проникает по микротрещинам вглубь частиц и
вызывает в них напряжения, которые способствуют ускоренному
твердофазному дроблению. Далее вновь образовавшиеся микрочас-
70
а
б
в
г
Рис. 4.10. Влияние обработки расплавов ЭМАП на структуру лигатур:
а, б – AlSi12; в, г – AlSi20; а, в – без обработки; б, г – с обработкой
тицы эволюционируют до элементов структуры расплава коллоидных
Структурные составляющие
Частота ЭМАП, кГц
500
1000
AlSi12
AlSi20
Средний размер дендритов α-Al, мкм
30/22
-
Средний размер Siэ, мкм
13/10
8/5
Средний размер Siп, мкм
-
90/62
и кластерных масштабов. Измененное строение расплава наследуется
в процессе кристаллизации литой структурой лигатур.
Влияние обработки расплавов ЭМАП на структуру лигатур AlSi12 и AlSi20
*В числителе – без обработки; в знаменателе – обработка ЭМАП.
Таблица 4.8
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]