Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса 8
1.1 Современное состояние и перспективы производства вторичных алюминиевых сплавов 8
1.2 Наследственность в сплавах и способы ее регулирования 10
1.3 Влияние примесей на механические, технологические и эксплутационные свойства алюминиевых литейных сплавов 12
1.3.1 Влияние металлических примесей 12
1.3.2 Влияние водорода и неметаллических включений 16
1.4 Модифицирование алюминиевых сплавов 17
1.5 Эффективные способы обработки алюминиевых литейных сплавов 21
1.5.1 Обработка электрическим током
1.5.2 Обработка магнитным полем 29
1.5.3 Ультразвуковое воздействие 30
1.5.4 Термовременная обработка 31
1.6 Выводы по состоянию вопроса и задачи работы 33
2 Исходные материалы и методика проведения исследования 35
2.1 Исходные материалы 35
2.2 Проведение экспериментальных плавок 36
2.3 Исследование процессов кристаллизации, усадки и термоэдс сплавов 37
2.4 Исследование механических свойств 39
2.5 Исследование химического состава и микроструктуры 40
2.6 Определение содержания водорода 40
2.7 Исследование пористости 40
2.8 Обработка экспериментальных данных 41
3 Исследование процесса кристаллизации и свойств литейных алюминиевых сплавов с различным содержанием железа до и после воздействия электрического тока 42
3.1 Оптимизация параметров обработки 42
3.2 Исследование влияния электрического тока на процесс кристаллизации43
3.3 Исследование технологических свойств 54
3.4 Исследование механических свойств 56
3.5 Исследование микроструктуры 57
3.6 Выводы по главе 64
4 Математический и физико-химический анализ экспериментальных данных 65
4.1 Теплофизический анализ полученных результатов 65
4.1.1 Определение скорости кристаллизации на основе теплофизических параметров материала формы и отливки 65
4.1.2 Определение теплоты кристаллизации сплавов по экспериментальным данным ДТА 74
4.2 Влияние электрического тока на полное время кристаллизации отливки 81
4.3 Влияние электрического тока на кристаллизацию алюминиевых сплавов с различным содержанием железа 83
4.4 Анализ результатов термоэлектрических исследований 93
4.5 Качественный и количественный анализ теплофизических и технологических свойств сплавов до и после обработки электрическим током 98
4.6 Выводы по главе 101
5 Апробация результатов исследования в производственных условиях при получении отливок из алюминиевых сплавов 102
Общие выводы 104
Список литературы 106
Приложение А 116
Приложение Б 120
- Эффективные способы обработки алюминиевых литейных сплавов
- Исследование процессов кристаллизации, усадки и термоэдс сплавов
- Определение скорости кристаллизации на основе теплофизических параметров материала формы и отливки
- Качественный и количественный анализ теплофизических и технологических свойств сплавов до и после обработки электрическим током
Введение к работе
Использование вторичных ресурсов - лома и отходов при производстве отливок из алюминиевых сплавов обеспечивает значительную экономию первичного сырья и энергоносителей, что в свою очередь ведет к снижению материалоемкости и себестоимости металлопродукции.
Однако использование повышенного количества низкосортной шихты при выплавке алюминиевых литейных сплавов значительно снижает их свойства: способствует насыщению газами, неметаллическими включениями, приводит к неизбежному накоплению нежелательных примесей, в том числе и железа, образующего с компонентами сплавов сложные интерметаллические соединения, которые приводят к снижению пластичности и коррозионной стойкости, ухудшению обработки отливок резанием.
Таким образом, чтобы обеспечить конкурентоспособность сплавов на основе низкосортной шихты, необходима комплексная обработка с применением прогрессивных и наукоемких технологий.
Одним из перспективных способов воздействия на структуру и свойства литейных алюминиевых сплавов является обработка расплава электрическим током в процессе кристаллизации.
Цель работы. Исследование влияния электрического тока на кристаллизацию литейных алюминиевых сплавов с повышенным содержанием железа с целью оптимизации их механических и технологических свойств
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Исследовать влияние различного содержания железа на свойства литейных алюминиевых сплавов, полученных из низкосортной шихты.
Определить оптимальные режимы воздействия электрического тока на литейные алюминиевые сплавы с целью повышения уровня их свойств.
Исследовать влияние электрического тока на процесс кристаллизации, механические, технологические и эксплуатационные свойства литейных алю-
5 миниевых сплавов с повышенным содержанием железа.
Исследовать влияние воздействия электрического тока на образование железосодержащих фаз.
Реализовать результаты исследований в производственных условиях при получении отливок заданного качества из алюминиевых сплавов.
Научная новизна.
Проведены комплексные исследования процесса кристаллизации литейных алюминиевых сплавов с повышенным содержанием железа методами термоэдс и дифференциального термического анализа (ДТА).
Изучено влияние электрического тока на формирование кристаллической структуры алюминиевых сплавов. Предложена теоретическая модель процесса кристаллизации, описывающая механизм воздействия электрического тока на измельчение структурных составляющих сплавов, в том числе и железосодержащих фаз.
Установлено, что под влиянием электрического тока полное время кристаллизации алюминиевых сплавов увеличивается, а температурный интервал кристаллизации уменьшается.
Практическая ценность работы.
Комплексное исследование кристаллизации методами термоэдс и ДТА позволяет вскрыть процесс зародышеобразования и формирования структурных составляющих сплавов.
Предложено устройство для обработки металлических расплавов в процессе кристаллизации электрическим током, которое позволяет получить сплавы заданного качества.
Обработка электрическим током расплава при кристаллизации позволяет получить компактные включения железосодержащих фаз без изменения химического состава сплава и применения дорогостоящих лигатур.
На защиту выносятся:
1. Результаты исследования влияния электрического тока на механические и технологические свойства литейных алюминиевых сплавов с различным
содержанием железа.
Результаты комплексного исследования процесса кристаллизации литейных алюминиевых сплавов методами термоэдс и ДТА.
Теоретическое описание механизма воздействия электрического тока на измельчение структурных составляющих, в том числе и железосодержащих фаз.
Достоверность полученных результатов.
Достоверность экспериментальных данных достигалась путем широкого использования современных методов и методик исследования металлических сплавов, применения аппарата математической статистики для обработки результатов экспериментов и их сравнительном анализе с известными литературными данными.
Личный вклад автора.
Автору принадлежит научная постановка задач исследования, проведение опытных плавок и испытаний на изучение комплекса технологических и механических свойств алюминиевых сплавов, обработка и анализ полученных результатов, формулирование выводов.
Публикации. Содержание диссертации отражено в 10 публикациях, в том числе в 3 статьях, в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Изложена на 123 страницах, содержит 7 таблиц, 29 рисунков. Список литературы составляет 113 наименований.
В первой главе приведен обзор литературных данных современной практики использования внешних воздействий при получении сплавов. Многочисленные экспериментальные и теоретические исследования по влиянию внешних воздействий на расплавы в процессе кристаллизации и в период плавки позволяют измельчить структурные составляющие сплавов и повысить их техно-логические и механические свойства. Отмечено, что механизм физико-химического воздействия электрического тока на процесс кристаллизации ис-
7 следован недостаточно как в экспериментальном, так и теоретическом плане.
Практически отсутствуют данные по комплексному исследованию процессов кристаллизации алюминиевых сплавов методами термоэдс и дифференциального термического анализа; усадочного процесса, газосодержания, пористости. Нет данных о влиянии электрического тока на морфологию железосодержащих фаз.
На основании анализа литературных данных сделаны выводы и поставлены цель и задачи исследования.
Во второй главе приведена методика проведения исследований.
В третьей главе представлены результаты исследований влияния электрического тока на процесс кристаллизации и свойства алюминиевых литейных сплавов с различным содержанием железа.
В четвертой главе обосновано применение методов термоэдс и дифференциального термического анализа (ДТА) для исследования процессов, происходящих при кристаллизации металлов и сплавов. Выполнено аналитическое обоснование влияния электрического тока на процессы кристаллизации металлических сплавов, а также на морфологию железистой составляющей в сплавах алюминия с кремнием.
В пятой главе представлены результаты промышленной апробации разработанной технологии.
Эффективные способы обработки алюминиевых литейных сплавов
Наложение на жидкий и кристаллизующийся металл электрического и магнитного полей позволяет эффективно управлять движением расплава, процессами тепломассопереноса, структурой, свойствами и формой отливок.
Известно, что движение ионов водорода в жидком сплаве хаотичное. Направленную диффузию ионов можно создать, изменив градиент концентрации, что достигается либо изменением парциального давления над металлом, направленным движением неметаллических включений при адсорбции их флюсами и т.д., либо при воздействии постоянного тока на расплавленный металл.
Исходя из предположения, что растворенный водород в металлах может находиться в ионизированном состоянии, А. Г. Спасский и Д. П. Ловцов провели ряд исследований с целью разработки технологии дегазации жидких металлов постоянным электрическим током [36]. Исследования проводили на алюминии А00, сплаве АЛ2 и др. Авторы указывают, что в серии плавок силумин ДАЗ обработка электрическим током в течение 20-30 сек давала большой дегазирующий эффект. Однако обработка ряда плавок чистого алюминия и силумина УАЗ не дала положительных результатов. Отсутствие дегазации в некоторых опытах объяснили низкой степенью ионизации водорода. Авторы считают, что такие результаты являются следствием нахождения водорода не только в виде ионов, но и в составе коллоидных частиц сложных ионов. Такие частицы перемещаются в расплаве, но водород на электроде не выделяется. Создается лишь градиент концентрации водорода в расплаве.
Исходя из положения, что в металлических растворах электролитический эффект повышается при наличии химического соединения ионного типа, в расплав вводили доли процента натрия или лития. Оказалось, что сплавы, не поддававшиеся дегазации постоянным электрическим током, после введения натрия или лития быстро (в течение нескольких минут) дегазировались. Это объясняется взаимодействием обоих металлов с водородом, находящимся в неио низированном состоянии, с образованием гидридов (МеН); концентрация ионов водорода в расплаве увеличивается, возрастает и дегазирующий эффект.
На основании этих работ В. Г. Короткое [43] исследовал влияние различных факторов на дегазирующий эффект при обработке алюминиевого сплава АЛ9 постоянным электрическим током. Исследования проводили при нормальном и пониженном давлениях. Опыты В. Г. Короткова подтвердили в целом положительное влияние постоянного электрического тока на удаление водорода из расплава. Установлен характер влияния на степень дегазации темпе-ратуры расплава и плотности тока. Малая плотность тока (0,3 - 1 А/см ) обусловливает преимущественно диффузионное удаление водорода, большая плотность (3 А/см2) - через стадию образования пузырьков. Промежуточная плотность тока на катоде (1-3 А/см ) способствует ассоциации водорода в молекулы и возвращению их в расплав конвекционным потоком, что снижает эффект дегазации сплава.
Д.Ф. Чернега [44] провел сравнительный анализ эффективности дегазации алюминиевых сплавов с помощью различных методов рафинирования. В качестве дегазаторов применяли аргон, гексахлорэтан, хлористый цинк, марганец и литий, а также постоянный электрический ток. Установлено, что характер изменения содержания водорода в алюминиевых сплавах существенно зависит от применяемого метода рафинирования и продолжительности выдержки расплава в раздаточной печи. При рафинировании постоянным электрическим током происходило неуклонное снижение содержания водорода в сплаве. Обработка алюминиевого сплава в жидком состоянии гексахлорэтаном с последующим пропусканием постоянного электрического тока позволяла снизить содер-жание в сплаве до 0,4 см /100 г за короткий промежуток времени.
В работах [45,46] был сделан вывод, что газосодержание чугуна зависит от плотности тока. Для все чугунов, обработанных при у = 5...6 А/см , содержа-ние газов становится ниже, чем в необработанном чугуне. При/ 6 А/см происходит увеличение газосодержания. Обработка током при модифицировании в наибольшей степени влияет на содержание в чугуне водорода, а обработка током на оптимальном режиме уменьшает его содержание до уровня ниже, чем в исходном чугуне.
Авторы предположили, что в первый период обработки ионизированные атомы газов в жидком чугуне смещаются к отрицательно заряженному электроду (катоду), что повышает их концентрацию в объеме расплава, расположенного близи катода. При воздействии на ионы атомов газов потока электронов, идущих от катода к аноду, заряды ионов газов нейтрализуются, и атомы выходят на поверхность жидкого металла, а затем в атмосферу.
Увеличение содержания газов можно объяснить ускорением перемешивания расплава чугуна в межэлектродном объеме конвективными потоками от выделения джоулева тепла при прохождении тока через расплав чугуна, что смещает поверхностные в более глубинные слои чугуна. При этом выход атомов газов из расплава затрудняется, а в расплав замешиваются адсорбированные поверхностными слоями чугуна газы [45,46].
Авторы [47] отмечают, что в отливках из алюминиевых сплавов наблюдается рост концентрации водорода в направлении катода и его частичное выделение на нем. Степень рафинирования сплава повышается с увеличением плотности тока и времени обработки: для удаления 20 - 30 % водорода и повышения предела прочности на 10 % необходима обработка в течение 30 мин при плотности тока (0,5 -г 3,0) 10 А/м2.
По данным [48] при пропускании тока через расплав содержание водоро-да в алюминиевых расплавах снижается с 1,5 до 0,2 см /100 г металла.
По результатам исследований [49] рафинирование алюминиевых сплавов постоянным электрическим током после предварительной обработки хлористыми солями практически полностью дегазирует алюминиевый сплав и более чем на 60% снижает газосодержание после обычного вакуумирования сплава.
Авторы [50] исследовали метод электровакуумного рафинирования на сплава АЛ9, заключающийся в одновременной обработке вакуумом и постоянным током. Установлено, что через 15 минут такого рафинирования при плотности тока 0,4 А/см и разряжении до 10 мм. рт. ст. содержание газов снижается с0,15до0,05см3/100г.
Пропускание постоянного электрического тока через кристаллизующуюся отливку вызывает перераспределение неметаллических включений. Известны объяснения связи содержания водорода с оксидом алюминия отрицательной полярностью ее частиц и наличия на границе их раздела с металлом потенциала, облегчающего ионизацию водорода. При этом отрицательно заряженные частицы оксида алюминия будут удерживать положительные ионы водорода, и газонасыщение сплава повысится. Содержание газов снижается при наложении тока из-за снятия электрического заряда, коагуляции включений и выхода их из расплава [51].
Обработка жидкого алюминиевого расплава электрическим током создает направленную кристаллизацию от анода к катоду, что позволяет управлять процессом кристаллизации кокильных отливок. При воздействии постоянного тока на жидкий металл между жидкой и твердой фазой возникает эффект Пель-те, используемый при зонном плавлении. Этот эффект был применен при управлении кристаллизацией [52].
Наряду с этим, ток, являясь внутренним источником энергии, дополнительно прогревают отливку, стабилизируя температурное поле по времени и в ее объеме. Поэтому использование тока в процессе формирования отливки уменьшает вероятность возникновения недоливов металла в форме, что особенно важно при получении тонкостенных литых изделий.
Исследование процессов кристаллизации, усадки и термоэдс сплавов
Анализ экспериментальных данных [36] по обработке расплавов чистого алюминия АОО и сплавов АЛ9, АЛ20 ультразвуком указывает на значительный эффект воздействия энергии упругих колебаний на состав, структуру и свойства алюминиевых сплавов.
Сообщается [29], что ультразвуковая и звуковая вибрации благоприятно воздействуют на жидкотекучесть, уменьшают усадку и содержание газа, повышают однородность расплава и измельчают кристаллы кремния. Все это приводит к улучшению свойств. Однако имеются данные об укрупнении кремния, особенно в модифицированных сплавах, и усилении сегрегации первичного кремния.
Авторы [73] исследовали влияние слабого акустического воздействия на процесс кристаллизации сплавов. В промышленных условиях были изготовлены отливки из сплава на алюминиевой основе состава, %: 5,9 Mg; 0,26 Si; 0,08 Си; 0,42 Fe; 0,59 Mn; 0,07 Ті; 0,08 Zn. Отмечалось увеличение механических свойств сплава: ав с 215 до 240 МПа, 5 с 4,3 до 8,1%; степени однородности и структуры отливок.
Этот метод, несомненно, перспективен, так как обеспечивает высокий уровень дегазации, а поскольку твердые эндогенные включения и водород образуют комплексы, то и удаление из расплава оксида алюминия.
Перспективным является применение термовременной обработки расплава (ТВО), которая хорошо зарекомендовала себя в качестве эффективного приема, позволяющего устранить наследственность низкосортных шихтовых материалов и стабилизировать свойства алюминиевых сплавов.
В общем случае под термовременной обработкой жидкого металла следует понимать перегрев расплава выше температуры ликвидус до или выше критических температур, в результате которых происходят структурные перестройки элементов расплава, и определенная выдержка при этих температурах. ТВО расплава с целью уничтожения отрицательных структурных признаков шихты является эффективным и доступным, не требующим дополнительного оборудования способом. В настоящее время используются различные варианты высокотемпературной печной обработки расплавов (ТВО, ТСО, ПТВО и др.) с целью их гомогенизации, и соответственно, измельчения структуры сплавов. Вопросы, касающиеся влияния ТВО расплавов на свойства металла в твердом состоянии, изучалась рядом исследователей [23, 74 - 80]. Рекомендуемые различными авторами оптимальные температуры нагрева для расплавов силуминов составляют 800-1150 С в зависимости от состава сплава. Влияние ТВО было проверено на алюминиевом сплаве АК7 из вторичного сырья [23]. Опыты показали, что перегрев данного сплава до 850-900 С, а затем охлаждение его до 700 С перед заливкой в металлическую форму приводит к значительному снижению газовой пористости в отливках, измельчению зерна, повышению механических свойств на 20 %. В работе [78] определены оптимальные режимы высокотемпературной обработки расплавов силуминов доэвтектических и эвтектических составов -температура нагрева расплава и время его выдержки при данной температуре. Доэвтектические силумины - Т = 920 - 1000 С, т = 0 - 25 минут; эвтектические силумины - Т = 1130 - 1160 С, т = 15-20 минут. Данные режимы позволяют устранить наследственность шихтовых материалов, ухудшающую качество силуминов и стабилизировать герметичность и механические свойства сплавов. Установлено [78 - 80], что использование термовременной обработки шихты для переплавных процессов позволяет вовлекать в плавку отходы различных производств и получать при этом высокое качество отливок. При применении ТВО возможны и некоторые сложности. Прежде всего, ТВО способствует значительному газонасыщению расплава [31], поэтому ее необходимо совмещать с очисткой от неметаллических и газовых включений. В настоящее время разработаны и опробованы комплексные способы обработки металлических расплавов из низкосортной шихты, включающие проведение ТВО и один из способов рафинирования: продувку газами, флюсование, фильтрацию, обработку физическими полями [81 - 83,57]. Таким, образом, применение ТВО расплава по оптимальным режимам в сочетании с эффективным рафинированием позволяет стабилизировать структуру шихтовых переплавов, снизить содержание газовых и неметаллических включений и соответственно повысить качество литых сплавов. Обобщая анализ литературных источников, можно сделать следующие выводы: 1. Использование вторичных ресурсов - лома и отходов при производстве отливок из алюминиевых сплавов обеспечивает значительную экономию резко дорожающих первичного сырья и энергоносителей, что в свою очередь ведет к снижению материалоемкости и себестоимости металлопродукции. Чтобы обеспечить конкурентоспособность сплавов на основе низкосортной шихты, необходима комплексная переработка отходов с применением прогрессивных и наукоемких технологий. 2. Использование повышенного количества низкосортной шихты при выплавке алюминиевых литейных сплавов значительно снижает их свойства: способствует насыщению газами, неметаллическими включениями, приводит к неизбежному накоплению нежелательных примесей, в том числе и железа, образующего с компонентами сплавов сложные интерметаллические соединения, которые приводят к снижению пластичности и коррозионной стойкости, ухудшению обработки отливок резанием. 3. Многочисленные экспериментальные и теоретические исследования по влиянию внешних воздействий на расплавы в процессе кристаллизации и в период плавки позволяют измельчить структурные составляющие сплавов и повысить их технологические и механические свойства. 4. Механизм физико-химического воздействия на процесс кристаллизации электрического тока исследован недостаточно как в экспериментальном, так и теоретическом плане. Имеющиеся данные носят отрывочный характер и часто противоречат друг другу. 5. Практически отсутствуют данные по комплексному исследованию процесса кристаллизации алюминиевых сплавов методами термоэдс, дифференциального термического анализа; усадочного процесса, газосодержания, пористости. 6. Перспективы имеет влияние внешних воздействий, в частности электрического тока, на расплавы с целью нейтрализации влияния железа в процессе кристаллизации.
Определение скорости кристаллизации на основе теплофизических параметров материала формы и отливки
Выполнен термический и дифференциально-термический анализ процесса кристаллизации алюминия и сплава АК7ч в исходном состоянии и после обработки электрическим током.
По кривой ДТА графическим методом определено количество твердой фазы, выпадающей вблизи температуры солидус и ликвидус. Отмечено увеличение относительной доли твердой фазы, выпадающей вблизи температуры солидус, для обработанных электрическим током сплавов.
Выполнено аналитическое обоснование влияния электрического тока на процесс кристаллизации металлических сплавов. Предложена теоретическая модель процесса кристаллизации, описывающая механизм воздействия электрического тока на измельчение структурных составляющих сплавов, в том числе и железосодержащих фаз.
Форма кривых, получаемых при дифференцировании ступенчатой функции результатов термоэлектрических исследований, объяснена возникновением функции. Глубина -образных пиков позволяет судить о соотношении фаз, выпадающих при кристаллизации при температурах ликвидус и солидус.
Проведенные в работе исследования показали, что обработка расплавов электрическим током в процессе кристаллизации позволяет измельчить составляющие микроструктуры, повысить уровень механических и технологических свойств промышленных алюминиевых сплавов с повышенным содержанием железа. На основании этого практический интерес представляет исследование возможности использования данного способа обработки в производственных условиях.
Апробация результатов исследования была проведена в условиях ОАО «Производственное объединение Алтайский моторный завод» (г. Барнаул) при получении промышленных алюминиевых сплавов АК5М2 и АК7ч с повышенным содержанием железа (до 1,5 % масс). В ходе проведения исследований в качестве оптимальной приняли плотность тока, которая была установлена в ходе лабораторных исследований. Изменения параметров обработки электрическим током в производственных условиях не проводилась. Полученные сплавы использовали для изготовления опытной партии отливок. Заливку осуществляли в песчано-глинистые формы. Образцы не механические испытания вырезались непосредственно из тела отливок. Испытания проводились в центральной заводской лаборатории.
Результаты испытаний показали, что использование в производстве обработки электрическим током в процессе кристаллизации способствует повышению механических свойств: временное сопротивление разрыву (сгв, МПа) повысилось на 10...20 %; относительное удлинение (S, %) - на 40...65 %.
В условиях ОАО «Производственное объединение Алтайский моторный завод» также была опробована технология получения сплава АК7ч, заключающаяся в расплавлении шихтовых материалов, высокотемпературном перегреве (до 1000...1020 С) и изотермической выдержке расплава (8... 12 минут), охлаждении расплава до температуры рафинирования завалкой в печь кокильного возврата, рафинирования расплава флюсом «МХЗ» (0,6 масс. %), заливке (720...730 С), обработке расплава электрическим током при кристаллизации. При использовании данной технологии были получены следующие результаты: 1. Механические свойства сплава повысились: ств с 180...200 до 215...240 МПа; Sc 2,4...3,3 до 4,0...6,8 %. 2. Снизилась пористость структуры сплава: с 3...4 баллов до 1...2 баллов. 3. Данная технология позволяет использовать повышенное количество лома и отходов (до 80...85 %) в общей завалке. Таким образом, результаты проведенных промышленных испытаний показали, что обработка алюминиевых литейных сплавов электрическим током в процессе кристаллизации позволяет использовать низкосортную шихту с повышенным содержанием железа и может быть использована для приготовления промышленных алюминиевых сплавов и для производства отливок несложной конфигурации. 1. Оптимальные режимы обработки электрическим током сплава АК7ч, определенные по критерию максимальных механических свойств, составляют (1,5-5-1,7)- К А/м2. 2. Исследовано влияние электрического тока на механические свойства сплава АК7ч. При сравнении обработанного сплава с исходным выявлено повышение временного сопротивления разрыву на 5...8 %; относительного удлинения - на 30...49 %, твердости - на 5... 13 %. Показано, что повышение механических свойств является следствием измельчения составляющих микроструктуры. 3. Обработанные сплавы имеют более высокие технологические свойства, то есть обладают лучшей способностью заполнять форму и кристаллизуются с меньшей усадкой, что позволяет получать более качественные изделия. Усадка обработанных электрическим током сплавов начинается при температуре 530...570 С, что на 20...30 С ниже температуры начала усадки исходных сплавов. Отмечено, с увеличением содержания железа предусадочное расширение увеличивается незначительно с 0,0816 (0,52 % Fe) до 0,094 (1,05 % Fe). Пропускание электрического тока через образец резко уменьшает предусадочное расширение до 0,034 (0,52 % Fe) и 0,0246 (1,05 % Fe). Снижение содержания водорода в обработанных сплавах составляет 47...53 % по сравнению с исходными. 4. Выявлено, что оптимальные параметры обработки расплава при кристаллизации увеличивают полное время затвердевания в 1,11...1,16 раз и уменьшают интервал кристаллизации на 10.. Л 8 С. 5. Отмечено, что в обработанных сплавах величина первого пика на кривых абсолютной термоэдс при температуре ликвидус (TL) уменьшается, а величина второго пика при температуре солидус (Г8) растет. В исходном сплаве наблюдается обратная зависимость, это означает, что в обработанных сплавах увеличивается доля твердой фазы выпадающей вблизи Г8, и уменьшается доля вблизи TL. Сделан вывод о целесообразности использования метода термоэдс для исследования фазовых превращений при кристаллизации сплавов. 6. Исследовано воздействие электрического тока на морфологию же лезосодержащих фаз, образующихся при кристаллизации. Влияние электриче ского тока заключается в измельчении выделений а-твердого раствора кремния в алюминии, увеличении доли выделений эвтектики и уменьшении скоплений железосодержащих фаз и кристаллизации их в более компактной форме. Пред ложена теоретическая модель процесса кристаллизации, описывающая меха низм воздействия электрического тока на измельчение структурных состав ляющих сплавов, в том числе и железосодержащих фаз. 7. В промышленных условиях опробованы результаты исследований при получении стержневых отливок из сплава АК7ч. После обработки электри ческим током механические свойства сплава повысились (в среднем): времен ное сопротивление разрыву - на 10...20 %, относительное удлинение - на 40...65%.
Качественный и количественный анализ теплофизических и технологических свойств сплавов до и после обработки электрическим током
Влияние электрического тока на железистую составляющую в алюми-ниево-кремниевых сплавах. Железистая /?-фаза AlsSiFe выпадает в этих сплавах в виде острых игл и пластин. После воздействия электрического тока /2-фаза измельчается, как и другие микроструктурные составляющие. Кроме того, ее включения образуют более компактную форму.
Фаза AlsSiFe является интерметаллидом со смешанным ионно-ковалентно-металлическим типом связи. Между разноименными атомами Al, Si и Fe осуществляется перенос отрицательного заряда в соответствии с их электроотрицательностью. Как правило, в интерметаллидах с переходными металлами их я -оболочка, обладая акцепторными свойствами, приобретает отрицательный заряд за счет электронов металлоидных атомов.
Следует предположить, что в Al5SiFe ионы Fe" несут избыточный отрицательный, а ионы At и St избыточный положительный заряд. Со стороны электрического поля при пропускании тока на кристаллизующийся расплав на ионы /?-фазы действуют противоположные силы, которые препятствуют образованию ее кристаллической решетки. Наименее прочно связаны между собой ионы Fe , At и St на острых углах зародыша. Поэтому скорость роста выступающих тонких частей кристалла замедляется, и кристалл растет в более компактной форме. Таким образом, показана возможность управления формированием морфологии железосодержащих фаз путем воздействия на алюминиевые сплавы электрическим током в процессе их кристаллизации. Данная технология обуславливает перспективы применения шихты с повышенным содержанием железа для получения алюминиевых сплавов без снижения механических свойств последних. По результатам выполненных в работе исследований термоэдс алюминия и силуминов в литом состоянии и после модифицирования построены кривые, общий вид которых представлен на рисунках 4.10 и 4.11. На кривой термоэдс этих металлов при кристаллизации наблюдается ступенька, термоэдс (Е) сплава при переходе из жидкого в твердое состояние увеличивается. Для А7 ступенька более пологая, чем для А1ч. Это связано с чистотой марки алюминия. В алюминии марки А7 больше примесей кристаллизация происходит в интервале температур ЛТ = 659 - 650 = 9 С, что хорошо фиксируется методом исследования. Математическим образом функции Е(Т) является единичная функция [108] (рисунок 4.11). На рисунке 4.11, б изображена единичная функция Е(Т). При дифференцировании единичной функции получается -функция (рисунок 4.11, б): Если скачок АЕ(Т) идет по линии Г, то -функция будет иметь вид ступеньки. Если скачок Д(7) сглажен в виде линии 2, то -функция приобретает вид острой впадины типа 2\ дЕ На кривых абсолютной термоэдс ос{г) = — (рисунок 4.12) при темпера дТ туре фазовых переходов (Ткр - чистый металл; TLYLTS- ДЛЯ сплавов) наблюдается -образные пики. В эксперименте прибор снимает величину полной термоэдс Е(Т) и одновременно измеряет разность температур между горячим (Т2) и холодным (Ті) частями образца. Абсолютную термоэдс получаем из соотношения Разность температур AT = Т2 - Т{ для исследуемых сплавов в области фазовых переходов поддерживались на уровне ЛТ = 40 4- 50 С, поэтому глубина образных пиков в основном определяется высотой скачка на кривой Е(Т). Чем выше ступеньки, тем больше твердой фазы образуется при температуре ликвидус или солидус.
