Модифицирование заэвтектических алюминиево-кремниевых сплавов
Существующие в настоящее время спрообы модифицирования заэвтектических (особенно содержащих более 20% Si) силуминов весьма, разнообразны. Модифицирование осуществляют фосфористой медью, красным фосфором, различными органическими соединениями фосфора, термитными смесями и элементами типа К, Bi, Pb, Sb и др. За рубежом для модифицирования заэвтектических силуминов применяют препараты, содержащие фтортитанат (Aiphosit) и фторцирконат (Phoral) калия, а также другие вещества.
Общий недостаток всех известных модификаторов заключается в том, что они измельчают лишь первичные кристаллы кремния, огрубляя эвтектику, и не позволяют получить нужную структуру и механические свойства заэвтектических силуминов.
Кроме того, все органические соединения, используемые в качестве модификаторов, очень токсичны. Применение перечисленных элементов для получения заданного эффекта модифицирования приводит к изменению специальных свойств сплава таких, как теплопроводность, коэффициент термического расширения и т. д., так как они вводятся в большом количестве, около 1% и более.
В настоящей работе приведены исследования возможности применения в качестве модификаторов заэвтектических силуминов неорганических соединений углерода и фосфора. Согласно принципа структурного соответствия углерод наиболее близок к кремнию (разница в параметрах решеток менее 10%).
Введение углерода как модификатора в сплав в составе органического соединения [1] имеет следующие недостатки: высокую токсичность, измельчение лишь кристаллов кремния.
Отсутствие должного эффекта при введении органических соединений углерода и фосфора объясняется тем, что сплав загрязняется продуктами их распада и реакции образования Аl4C3 и АlР, которые служат подложкой для кристаллов кремния, сопровождается газонасыщением и образованием большого количества неметаллических включений.
Исследования по использованию в качестве модификатора заэвтектических силуминов неорганических соединений углерода и фосфора проводились на сложнолегированном сплаве с 20% кремния.
Выбор углеродистых соединений осуществляли на основе анализа карбидов элементов, входящих в сплав, концентрация которых выше 1%, по следующим параметрам: величине растворимости металла карбидного соединения при температуре 1023—1073K; разнице параметров решеток с кремнием; вероятности распада карбидного соединения в сплаве (величине термодинамического изобарного потенциала). В табл. 1 приведены анализируемые параметры карбидных соединений.
В качестве модификатора взяты наименее прочные карбидные соединения металлов. Так, карбид Сr3С2 наименее прочен, чем Сr4С (Сr23С6), a WC чем W2C. Вероятность образования соединений типа Аl4С3 при вводе в расплав карбидов металла, количество которых в основном определяет эффект модифицирования кремния, может быть оценена величиной изобарного потенциала, рассчитанного на 1 г-атом Аl4C3 без учета термодинамической активности элементов и перекрестного влияния компонентов друг на друга.
Полнота эффекта модифицирования при вводе в алюминиево-кремниевый сплав карбидных соединений будет зависеть от растворимости металла карбидного соединения при температуре обработки. Данные по растворимости металлов карбидных соединений при температуре 1073К приведены в табл. 1.
При ограниченной растворимости металла карбидного соединения последнее, имея незначительные различия в параметрах решеток с кремнием, может быть использовано в качестве подложки для кристаллизующихся кристаллов кремния. Такими являются соединения WC и VC, однако, из-за высокой стоимости они экономически нецелесообразны.
Соединения типа TiC и Сr3С2 не отвечают требованиям, предъявляемым к модификаторам. Так, при вводе TiC образование . соединений Аl4С3 не происходит, о чем свидетельствует положительный изобарный потенциал (табл. 1). Параметры решетки TiC значительно отличаются от кремния. При вводе Сr3С2 и неполной его растворимости карбиды хрома будут играть отрицательную роль неметаллических включений в сплаве, хотя частично эффект модифицирования присутствует. Те же недостатки имеет карбид молибдена.
Из анализа данных табл. 1 применительно к алюминиево-кремниевым сплавам следует, что наиболее подходящими являются карбиды Ni3C и Fe3C. У них самая низкая температура плавления, хорошая растворимость металлов в сплаве и незначительная разница в параметрах решеток с кремнием.
На практике оценка модифицирующего эффекта карбидов Ni3C и Fe3C приводилась по изменению размеров структурных составляющих сплава. Ввод карбидов в сплав осуществлялся при температуре 1933— 1073К в виде кусков размерами 3—4 мм и в виде порошка. Кусковой карбид загружался вместе с шихтой, а порошок вводился в жидкий металл.
Степень модифицирования т определялась по следующему выражению:
M= 100·(x0 – x)/x0
где х0,х — средний размер структурных составляющих, определяемых методом секущих, мм.
В микроструктуре сплава после травления в реактиве, состоящем из 1 см3 HF и 1,5 см3 НСl, 2.5 см3 HNO3 и 95 см3 Н20, было выделено пять основных структурных составляющих, отличающихся конфигурацией и цветом: темно-серые кристаллы кремния (фаза Л), эвтектика (фаза Е), зерна твердого раствора (фаза D) и иптерметаллические соединения легирующих составляющих сплава (фазы В и С).
Одновременно на сплаве исследовалось влияние модифицирующих элементов па теплофизические и физико-механические свойства; коэффициент термического расширения в диапазоне 273—373К, удельное сопротивление разрыву, относительное удлинение, твердость.
Коэффициент линейного расширения определяли на приборе ИКВ-3 на образце диаметром 3X50 мм, погруженном в подогреваемую среду, а физико-механические свойства на образцах диаметром 12X6X150 мм согласно ГОСТу 1497—73.
Для сравнения эффекта модифицирования при вводе в жидкий металл неорганических соединений углерода и фосфора были проведены аналогичные исследования с использованием известных способов модифицирования: ультразвука и введения Alphosita.
Ультразвуковая обработка проводилась с частотой (18—20) 103 Гц при разных температурах и продолжительности. В табл. 2 приведены лучшие результаты по модифицированию для всех способов обработки, а па рис. показаны структуры, составляющие которых меняются по величине.
Рис. Структуры сложнолегированного Al-сплава [Х200): а — немодифицирован; б — модифицирован фосфористой медью; в — модифицирован карбидом железа; г — обработан комплексным модификатором
Модификатор Alphosit вводился согласно рекомендации 0,2% от массы сплава. Исследования показали, что применение ультразвуковой обработки независимо от частоты колебаний приводит к росту структурных составляющих, особенно фазы А (кремний). Модификатор Alphosit измельчает фазы А и Д и не меняет размеры других фаз. Фосфористая медь уменьшает размеры фаз А и Д, не затрагивая другие фазы. Хорошие результаты по степени измельчения всех фазовых составляющих дает введение алюминия фосфорнокислого—пиро [Аl(Р2O2)3], хотя механические свойства получаются ниже, т. к. происходит увеличение неметаллических включений в сплаве.
Введение карбидов Ni3C и Fe3C положительно влияет на все показатели, по которым оценивался эффект модифицирования сплава.
При концентрации одного из этих элементов в сплаве в количестве недостаточном для получения полного эффекта модифицирования и необходимости увеличения продолжительности эффекта рекомендуется использовать неорганические соединения в комплексе с фосфористой медью и фосфорнокислым алюминием со следующей оптимальной концентрацией компонентов: фосфористой меди —40%, алюминия фосфорнокислого — 15%, карбида железа — 45% [3]. Количество модификатора составляет 1 —1,5% от массы металла.
Изменение концентрации одного из компонентов модификатора не увеличивает среднюю степень измельчения. Так, введение более 15% А14(Р207)з приводит к ощутимому увеличению неметаллических включений, снижающих механические свойства сплава. Карбид железа может быть заменен на карбид Ni3C или карбид металла, который отвечает вначале описанным требованиям, предъявляемым к модификаторам.
Введение комплексного модификатора можно осуществлять двумя путями и в два этапа. Вначале с шихтой загружаются карбиды и фосфористая медь, затем алюминий фосфорнокислый колокольчиком вводится в жидкий расплав, фосфористая медь загружается с шихтой, а карбид и алюминий фосфорнокислый вводятся в жидкий сплав.
Изменение порядка ввода комплексного модификатора в сплав отражается на длительности сохранения эффекта модифицирования, и первый способ от второго отличается по длительности на 30 мин. Если, модификаторы вводятся в жидкий металл, то для выравнивания их концентрации по всему объему необходимо интенсивное перемешивание и выдержка 15—20 мин. перед разливкой. Наилучший эффект по модифицированию получен при загрузке в виде кусков соединений металла с фосфором и углеродом. Ввод их в порошкообразном состоянии приводит к увеличению газосодержания.
Время сохранения эффекта модифицирования определено до начала роста размеров структурных составляющих сплава на шлифах, полученных при взятии проб через каждые 15 мин. Наибольшая продолжительность сохранения эффекта модифицирования соответствует использованию комплексного модификатора. При переплаве эффект модифицирования не сохраняется.
Следовательно, введение неорганических соединений фосфора и углерода в высококремнистые алюминиевые сплавы позволяет получить, мелкую дисперсную структуру, повысить физико-механические свойства при сохранении специальных эксплуатационных свойств сплавов.
ЛИТЕРАТУРА
- Колобнев И. Ф. и др. Модификатор для жаропрочных сплавов. Авт. свид. СССР, № 186693. Бюллетень изобр., 1966, № 19, с. 110.
- Косолапова Т. Я- Карбиды.— М.: Металлургия, 1968.
- Тимофеев Г. И. и др. Модификатор для заэвтектических силуминов. Авт. свид, СССР, №718493. Бюллетень изобр. 1980, № 8. с. 106.
- Стальные слитки — http://steelcast.ru/
- Мальцев М. В., Барсукова Т. А., Борин Ф. А. Металлография цветных металлов и сплавов. М.: Металлургиздат, 1960.
- Тот Л. Карбиды и нитриды переходных металлов. М.: Мир, 1974.