Структура и свойства доэвтектических силуминов, модифицированных стронцием и скандием



Скачать 113.85 Kb.
Дата23.10.2014
Размер113.85 Kb.
ТипДокументы
Ящук Мар`яна Миколаївна

Національна металургійна академія України
СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ДОЭВТЕКТИЧЕСКИХ СИЛУМИНОВ, МОДИФИЦИРОВАННЫХ СТРОНЦИЕМ И СКАНДИЕМ
Научное направление: инженерное материаловедение.

Ключевые слова: доэвтектические силумины, фазовое превращение, интерметаллид, модифицирование, кристаллизация.

рисунки зменшені адміністрацією конкурсу, можуть бути надані в оригінальному розмірі на вимогу експерта.



Вступление

Применение алюминиевых сплавов в качестве конструкционных материалов становится все более разнообразным. Среди литейных сплавов на основе алюминия доминирующее положение занимают сплавы алюминия с кремнием – силумины и более сложные сплавы этой системы. Они отличаются высокой технологичностью, обладают хорошими литейными свойствами, имеют высокую коррозионную стойкость. Однако, наличие в структуре литого силумина слабо разветвлённых дендритов -Al, обрамлённых по границам дендритных ячеек хрупкой сеткой крупных эвтектических кремниевых кристаллов и включений интерметаллидов обусловливает невысокие прочностные характеристики и низкую пластичность силуминов. Свойства отливок из силуминов могут быть существенно улучшены при правильном выборе технологии модифицирования, литья и термической обработки. Используемое на практике модифицирование силуминов натрием путем его ввода в виде смеси солей NaF+NaCl+KCl приводит к резкому увеличению дифференцировки эвтектики Al-Si, однако, этот процесс сопровождается выделением ядовитых газов (F, Cl) [1]. В связи с этим целесообразным представляется модифицирование сплавов лигатурами металлов, которые обеспечивают те же изменения структуры и свойств силуминов, что и модифицирование натрием.

Параллельно возникает задача подбора соответствующих лигатур. Одним из возможных вариантов является использование хорошо зарекомендовавших себя лигатур Al-Sr и Al-Sc [2-6]. Влияние стронция на структуру, фазовый состав и свойства литейных сплавов системы Al-Si изучено достаточно хорошо [3-5]. Сведения о влиянии скандия на фазовый состав и свойства силуминов практически отсутствуют. Отсутствуют также исследования, в которых изучалось бы совместное влияние стронция и скандия на свойства и фазовый состав силуминов.

Целью настоящей работы является изучение влияния микролегирования стронцием и скандием на структуру, фазовый состав и свойства силуминов, в частности сплава АК7ч.



Основная часть

В работе исследовалась зависимость параметров механических свойств (микротвердости эвтектической составляющей Н, твердости HV, предела текучести, относительного сжатия, относительного расширения при испытании на сжатие) силумина от скорости Vохл при кристаллизации и содержания в нем модифицирующих элементов стронция и скандия.

В связи с наличием большого количества возможных сочетаний независимых переменных (%Sr, %Sc, Vохл) и неизвестностью диапазона рациональных условий решения задачи эксперименты проводили по плану ортогональных латинских квадратов (табл.1) [7].

Таблица 1

План эксперимента




1

111


2

222


3

333


4

444


5

234


6

341


7

412


8

123


9

342


10

413


11

124


12

231


13

423


14

134


15

241


16

312


Таблица 2

Уровни варьирования независимых переменных




Параметр (независимая переменная)

№ независимой переменной

Уровни варьирования


1

2

3

4

Sr, %масс.

1

0

0,05

0,1

0,2

Sc, %масс

2

0

0,1

0,3

0,5

Vохл, К/с

3

Печь

6,67*10-4



Воздух

6,67*10-3



Чугунный цилиндр 102

Медный клин 103

Для каждой ячейки представленной матрицы изготавливали образцы сплава согласно трехзначному коду, в котором позиция цифры обозначает независимую переменную, а ее значение – уровень переменной (табл. 2).

Опытные сплавы, изготовленные на базе алюминия марки А9, чистого кремния, лигатур Al-5% Sr и Al-1.96% Sc, в лабораторных условиях выплавляли в тигельной электропечи СШОЛ1-16/12. Температуру измеряли с помощью хромель-алюмелевой термопары универсальным измерительным прибором Р-4833 (класс точности 0,05). Расчетное количество стронциевой лигатуры (согласно данным табл.1 и 2) вводили при температуре 750°С в расплав, выдерживали его 25…30 минут, затем вводили расчетное количество скандиевой лигатуры, выдерживали 25…30 минут, тщательно перемешивали и охлаждали с различными скоростями, в соответствии с данными табл.1 и 2.

Микроструктуру сплавов изучали с помощью оптического микроскопа «Neophot-21». Идентификацию фаз проводили методом рентгеноструктурного анализа на дифрактометре ДРОН – 3М в Соα фильтрованном излучении по стандартной методике. В качестве эталона использовали отожженный в течение 16 часов с последующим охлаждением с печью алюминий марки А999.

Микротвердость алюминиевого твердого раствора и эвтектики измеряли на приборе ПМТ – 3 по ГОСТ 9450-76 при нагрузке 20 г и увеличении ×485. Твердость по Виккерсу измеряли при нагрузке 5 кг. Испытания на сжатие проводили на испытательной машине FP-100/1, при максимальной нагрузке 40кН, в масштабе 10:1. Скорость деформации составляла 1,6 мм/мин

Структура исходного (немодифицированного) сплава АК7ч, закристаллизованного при скорости охлаждения 6,67*10-4 К/с (рис.1), состоит из слаборазветвленных дендритов -Al и расположенной в междендритных пространствах грубодифференцированной эвтектики -Al + -Si .

После травления в структуре сплава выявляются кристаллы интерметаллидных фаз различной окраски и формы (рис. 2).

При рассмотрении фазового состава силуминов необходимо отметить особую роль железа, содержание которого в сплаве АК7ч обычно не превышает 0,6% масс.


Рис.2. Интерметаллические соединения, присутствующие в сплаве АК7ч: а - Mg2Si , б - FeAl3, в - -Al2O3 и FeAl2(SiO4)3

(Примечание: рисунок в лучшем качестве представлен в приложении)

Фазы, содержащие железо FeAl3 и FeAl2(SiO4)3 (рис 2, б, в), имеют грубокристаллическое строение, поэтому присутствие его в сплавах существенно ухудшает их механические свойства, особенно, пластичность. Общей точки зрения на химический состав фаз, содержащих железо, нет. Как отмечает автор [8], объясняется это тем, что эти фазы, во-первых могут кристаллизоваться непосредственно из расплава, так и перитектически, а полнота реакции зависит от скорости кристаллизации сплава, во-вторых, очень часто тройные соединения железа по существу оказываются твердыми растворами.

По результатам фазового рентгеноструктурного анализа и избирательного травления, тонкодифференцированные кристаллы голубоватого цвета, образующие с - Al, Si кооперативные и конгломератные эвтектики, определены как фаза Mg2Si (рис. 2, а).

Оксиды -Al2O3 и FeAl2(SiO4)3 наиболее часто встречаются в виде компактных кристалликов темного цвета, вкрапленных в кристаллы кремния (рис. 2, в).


Результаты фазового рентгеноструктурного анализа представлены в табл. 3.

Таблица 3

Фазовый состав сплава АК7ч


Фаза

Тип решетки

Параметры решетки

Источник идентифицирования

Fe2Al5


Орторомбическая



a=7.765

b=6.403

c=4.203

Картотека JCPDS № 14-336

FeAl2(SiO4)3

Кубическая

a=11.53

Картотека JCPDS № 9-427

FeAl3


Орторомбическая



a=47.43

b=15.45

c=8.07

Картотека JCPDS № 2-1213

-Al2O3

Гексагональная

a=4.758

c=12.991

Картотека JCPDS № 13-373

Mg2Si

Кубическая

a=12.63

Картотека JCPDS № 1-1192

Al5SiFe


Моноклинная



a=6.12, b=6.12

c=41.5

=910

Картотека JCPDS № 20-31

На рис. 3 представлены микроструктуры сплава АК7, полученные в соответствии с планом эксперимента.

Визуальный анализ показывает, что выбранные независимые переменные оказывают существенное влияние на структурообразование исследуемых сплавов. Так, сплавы, полученные по кодам ячеек №№ 3, 4, 5, 8, 11 и 14, характеризуются разрушением сплошной сетки грубодифференцированной эвтектики, значительным измельчением кремниевой фазы и ее равномерным распределением по объему отливки.

Структура сплавов, изготовленных согласно кодам ячеек №№ 10 и 13, состоит из сильноразветвленных дендритов -Al, в межосных пространствах которых расположена тонкодифференцированная эвтектика. Особенность сплава № 10 состоит в наличии неравномерности структуры: наряду с сильноразветвленными дендритами -Al наблюдаются слаборазветвленные.


Рис. 3. Микроструктуры сплава АК7ч, полученные в соответствии с планом эксперимента, №№ 1, 2, 6, 7, 9, 12, 15, 16 – х500; №№ 3, 4, 5, 8, 10, 11, 13, 14 – х1000

(Примечание: рисунок в лучшем качестве представлен в приложении)
Структура сплавов, изготовленных согласно кодам ячеек №№ 2, 7, 9 и 16, состоит из слаборазветвленных дендритов -Al и размещенной в межосных пространствах тонкодифференцированной эвтектики. В сплаве 7 также наблюдается неравномерность структуры, связанная с наличием участков, где интерметаллидные фазы выделяются в виде грубых пластин.

Структура сплавов, изготовленных согласно кодам ячеек №№ 6, 12 и 15, состоит из слаборазветвленных дендритов, в межосных пространствах которых расположена эвтектика более грубая по сравнению с образцами предыдущей группы. Кроме того, в структуре присутствует значительное количество интерметаллидных соединений пластинчатой формы.

Интерметаллидные соединения, образовавшиеся при введении стронция и скандия в различных соотношениях, в соответствии с планом эксперимента представлены в табл. 4

Интерметаллидные соединения, образующиеся в сплаве АК7ч при введении Sr и Sc

Таблица 4

%Sr

%Sc

Фаза

Тип решетки

Параметры решетки, Å

Источник идентифицирования

0.05

0-0.5

SrSi

Орторомби-ческая


a=4,83

b=11,33

c=4,04

Картотека JCPDS № 16-8

0.1-0.2

0.1-0.5

AlSr

Кубическая

a=15,8

Картотека JCPDS № 7-380

0.2

-

Al4Sr

Тетрагональная

а=4,46; с=11,07

1

0.05-0.2

0.1

ScSi

Орторомби-ческая

a=3,988

b=9,882

c=3,659

Картотека JCPDS № 18-1161

0.05-0.2

0.3-0.5

Al3Sc

Кубическая

а=4,106

1

Количественные зависимости механических свойств: микротвердости эвтектической составляющей Н, твердости HV, предела текучести, относительного сжатия, относительного расширения при испытании на сжатие от независимых переменных (Sr%, Sc%, Vохл) получены после известной процедуры обработки экспериментальных данных для ортогональных латинских квадратов [7]. Эта процедура заключается в логарифмировании соответствующих количественных данных, усреднении их для каждого уровня каждой независимой переменной, потенцировании и привязке полученных зависимостей к условиям проведения опытов.

Конкретное определение зависимости параметров механических свойств от независимых переменных выполняется по формуле:


, (1)
где Х представляет одну из функций отклика; φ(Sr%) φ(Sc%) φ(Vохл) – ординаты соответствующих частных зависимостей на рис. 4…8; N – нормирующий множитель, обеспечивающий привязку полученных зависимостей к условиям проведения опытов.

Рис.4. Частные зависимости микротвердости эвтектической составляющей от содержания модификаторов и скорости кристаллизации



Выводы

В ходе эксперимента, проведенного по плану ортогональных латинских квадратов, исследовано влияние модифицирования на структуру, фазовый состав и свойства литейных сплавов системы Al-Si-Mg-Fe. Проведен количественный анализ данных функции отклика (микротвердость эвтектики Н, твердость сплава HV, предел текучести, относительное сжатие, относительное расширение). Получены количественные зависимости указанных данных функций отклика от независимых переменных (Sr%, Sc%, Vохл). Это позволяет рассчитывать конкретные значения параметров механических свойств и прогнозировать структуру сплава АК7ч при заданных значениях независимых переменных (количествах добавок модификаторов – Sr%, Sc%, и скорости охлаждения сплава Vохл).

Изучена модифицирующая способность скандия (0,1…0,5%), а также совместное влияние стронция (0,05…0,2%) и скандия (0,1…0,5%) на структуру сплава АК7ч системы Al-Si-Mg-Fe.

Установлено что оптимальным для сплава АК7ч является совместное модифицирование стронцием и скандием в концентрациях 0,1 % Sr и 0,5%Sc.


Библиографический список

  1. Строганов Г.Б. Высокопрочные алюминиевые сплавы. М.: Металлургия, 1985, 216 с.

  2. Beresina A.I., Chuistov K.V., Monastyrskaya T.A. The stability of structure states of Al-Mg, Al-Li-Mg alloys, alloyed by Sc, Zr and Hf//Proc.of the 3rd European Conference on Light Alloys and Composites. – Zakopane, (Poland). – 1999. – p. 43-48.

  3. Таран Ю.Н. , Куцова В.З., Ковальчук М.Г., Узлов К.И. Структура и фазовый состав силуминов, модифицированных стронцием.// Известия вузов. Цветная металлургия. – 1988. - №3. – с. 78-84

  4. Куцова В.З., Швець О.В., Аюпова Т.А. Модифікування алюмінієвих сплавів// «МОМ», - 2001. - №1-2. – с. 99-109

  5. Модифицирование силуминов стронцием/ Ганиев И. Н.. Пархутик П. А., Вахобов А. В., Куприянова И. Ю. Минск: Наука и техника, 1985. - 143с.

  6. Dobatkina T.V., Rokhlin L.L., Characterova M.L. Phase diagrams of the aluminium – base alloys containing scandium// Proc.of the 3rd European Conference on Light Alloys and Composites. – Zakopane, (Poland). – 1999. – p/ 55-60.

  7. Шенк Х. Теория инженерного эксперимента. Пер. с англ. – М.: Мир, 1972. – 382с

  8. Постников Н.С. Высокогерметичные алюминиевые сплавы. – М.: Металлургия, 1972 . – 160 с.






Похожие:

Структура и свойства доэвтектических силуминов, модифицированных стронцием и скандием iconСтруктурообразование и свойства модифицированных жесткопрессованных цементно-меловых композиций
Аспирант Ростовского государственного строительного университета, г. Ростов-на-Дону
Структура и свойства доэвтектических силуминов, модифицированных стронцием и скандием iconИнвестиционное предложение по проекту Организация новых видов модифицированных крахмалов в ОАО «Рогозницкий крахмальный завод»
Инвестиционный проект предполагает установку технологической линии по производству новых видов модифицированных крахмалов на действующем...
Структура и свойства доэвтектических силуминов, модифицированных стронцием и скандием iconЭлектрохимическое осаждение и свойства композиционных покрытий, модифицированных фуллереном с 60
Защита состоится “28” мая 2009 г в 1500 часов на заседании диссертационного совета д 212. 242. 09 при Саратовском государственном...
Структура и свойства доэвтектических силуминов, модифицированных стронцием и скандием iconУдк 669 квазикристаллы: открытие, структура, свойства, применение, получение
Квазикристаллы интерметаллидные соединения, атомная структура которых характеризуется наличием осей симметрии 5, 8, 10 и 12 порядков....
Структура и свойства доэвтектических силуминов, модифицированных стронцием и скандием iconСтруктура вакуума и метрический тензор общей теории относительности
Описаны свойства вакуума, свойства элементарных частиц, из которых он состоит. Определены свойства этих частиц. Обоснована формула...
Структура и свойства доэвтектических силуминов, модифицированных стронцием и скандием iconКислородная нестехиометрия, дефектная структура и определяемые ими свойства перовскитоподобных оксидов рзэ (La, Gd), щелочноземельных и 3d-металлов 02. 00. 04 физическая химия
Кислородная нестехиометрия, дефектная структура и определяемые ими свойства перовскитоподобных оксидов рзэ (La, Gd), щелочноземельных...
Структура и свойства доэвтектических силуминов, модифицированных стронцием и скандием iconСульфидные и фторсульфидные ик-материалы, фазовые диаграммы, структура и свойства сульфидных соединений галлия, индия, лантанидов

Структура и свойства доэвтектических силуминов, модифицированных стронцием и скандием iconПроблемы черной металлургии и материаловедения
Структура и свойства сплава Си 30% Сг, полученного методом дуговой плавки с расходуемым электродом 16
Структура и свойства доэвтектических силуминов, модифицированных стронцием и скандием iconН. Н. Ташатов алгебраическая структура и свойства циклических кодов
Материалы Международной научно- технической конференции «Вторые ержановские чтения». – Актобе. – 2007. – С. 508-512
Структура и свойства доэвтектических силуминов, модифицированных стронцием и скандием icon2. химические науки и науки о материалах
Получение, структура и свойства сложнооксидых соединений молибдена (VI), вольфрама (VI) c ионопроводящими и сегнетоактивными свойствами...
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org