220121, а/я 184, г. Минск,
ул. Притыцкого, 62-4-208 Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

по всем вопросам:

+ 375 17 363-92-94, 369-45-01

Новый взгляд на кристаллизацию модифицированной эвтектики в силуминах

Силумины широко применяются как конструкционный материал для фасонного литья. Улучшение структуры и механических свойств литейных промышленных сплавов производится путем модифицирования, определяющим благоприятное структурообразование силуминов. Самым распространенным модификатором доэвтектических и эвтектических силуминов является натрий, надежно обеспечивающий измельчение важнейшей структурной составляющей этих сплавов - алюминиево-кремниевой эвтектики. Аналогичное влияние на кристаллизацию оказывает стронций, другие щелочные и щелочноземельные элементы.

В последнее время находят применение силумины в качестве поршневых сплавов, важнейшей характеристикой которых является однородность структуры при максимальном измельчении ее составляющих. В связи с этим модифицирование структуры эвтектики одним из названных элементов утратило смысл, так как наряду с модифицированной эвтектикой в структуре обнаруживались включения αAl- твердого раствора и первичные выделения βSi-фазы. Возникло новое направление, в основе которого лежит суспензионное литье. Его сущность заключается в том, что в жидкий металл вводятся ультрадисперсные тугоплавкие соединения типа оксидов, карбидов, нитридов и др., позволяющие получать тонкоизмельченную, однородную структуру сплавов с достаточно высокими механическими свойствами. Используются также другие виды обработки расплава (ультразвук, горячая прокатка изделий и т.п.). Тем не менее эти технологии вызывают значительные трудности при их реализации в производственных условиях. Отказ от более простых и технологичных схем модифицирования обусловлен скорее всего недостаточной изученностью диаграммы Al-Si и процессов протекающих при модифицировании с точки зрения литейной технологии.

Для выяснения механизма формирования структуры и свойств силуминов использовали термический анализ. Содержание кремния в сплавах находилось в пределах 9,0%, 12,5% и 20%, соответственно. Обсуждение полученных результатов проводилось с учетом фундаментальных исследований, изложенных в работах [1,2,3]. На рис.1 показаны кривые охлаждения немодифицированных и модифицированных натрием силуминов с 9% и 12,5% кремния. На термограммах немодифицированных силуминов наблюдается два минимума. Первый минимум возникает вследствие переохлаждения при первичной кристаллизации α- твердого раствора кремния в алюминии, второй при эвтектической кристаллизации с последующей рекалесценцией несколько ниже температуры плавления эвтектики. Иная картина наблюдается при модифицировании сплавов натрием. Вид кривых затвердевания модифицированной эвтектики отличается от кривых охлаждения немодифицированной. Во-первых, при наличии натрия отсутствует минимум, характерный для обычной эвтектики, а наблюдается округлый перегиб от участка кривой первичной кристаллизации к эвтектической остановке. Во-вторых, во всех модифицированных сплавах кристаллизация эвтектики протекает не при постоянной, а при понижающейся по времени температуре. Значительный перепад температуры начала и конца кристаллизации модифицированной эвтектики указывает на замедление скорости роста кристаллов кремния. На рис.2 показаны микроструктуры исследуемых сплавов. Видно, что у немодифицированного сплава эвтектические кристаллы кремния имеют форму пластин, которые в поле шлифа выглядят иглами. Форма кристаллов кремния во многом определяется его кристаллохимическим строением. Известно [4], что для кристаллов кремния, имеющих кристаллическую решетку типа алмаза, характерна ковалентная химическая связь между атомами, реализуемая в основном по плоскостям {111}. При росте из расплава даже в случае небольших переохлаждений эти плоскости получают преимущественное развитие, что приводит к образованию в структуре силуминов пластинчатых включений эвтектического кремния. Изучение пространственного расположения кристалла эвтектического кремния в немодифицированном силумине, выполненное автором работы [5] путем его послойного сошлифования показало, что он представляет собой развевленный многогранный дендрит (рис.3). При этом все ветви имеют четную огранку. В структуре закристализававшейся модифицированной эвтектики наблюдаются тонкодисперные волокнистые включения кремния. Собственно эвтектика представляет собой композит, состоящий αAl-βSi. Образование подобной структуры является определяющим фактором в улучшении механических свойств конструкционных сплавов типа АК9ч. Учитывая кооперативный рост фаз естественно предположить, что на контакте кристаллизуемых включений образовались химические связи обусловленные не только силами Ван-дер-Ваальса. В зависимости от взаимного расположения уровня Ферми, валентных зон, а так же состояния в котором находятся валентные электроны, могут образовываться металлические, ковалентные или ионные связи. Образование гибридных связей во многом определяет свойства эвтектики. Следует отметить, что в зависимости от состава сплава, скорости охлаждения и других технологических параметров в структуре эвтектических силуминов наряду с модифицированной эвтектикой выпадают кристаллы αAl и первичного кремния.

Для более глубокого понимания процесса формирования включений кремния при кристаллизации эвтектики проводили исследования на заэвтектическом силумине с 20% Si. В основе исследований использовали термический, металлографический, микрорентгеноспектральный и структурный способы анализа.

Из приведенных на рис.4 термограмм следует, что присадка натрия практически не влияет на температуру начала выделений первичного кремния. Видно, что первичная кристаллизация заэвтектических сплавов сопровождается малозаметным тепловым эффектом вследствие сравнительного небольшого количества избыточного кремния. Характер кривых охлаждения в области кристаллизации эвтектики, аналогичен кривым охлаждения ранее рассмотренным случаям. Эвтектическая кристаллизация немодифицированного сплава происходит с рекалесценцией, а модифицированного сплава протекает с заметным переохлаждением и плавным перегибом до конца затвердевания эвтектики.

Изучение микроструктур исследуемых сплавов позволило выявить следующее. Микроструктура кремния в немодифицированном силумине в поле шлифа имеет грубокристаллическое дендритное строение (рис.5.1). Под действием натрия первичные выделения кремния становятся компактными, приближаясь по форме к сферической (рис.5.2).

Микрорентгеноспектральный анализ образцов силумина, модифицированного натрием, выполненный на установке JXA-5A, показал наличие примесных атомов натрия во включениях кремниевой βSi –фазы (рис.5.3). Максимальное содержание примеси наблюдается в центре включения с постепенным снижением к поверхности кристалла.
В работе [6] автор рассматривает пути влияния примеси на форму роста кристаллов. Это влияние происходит в результате вхождения примеси в состав растущего кристалла, избирательно адсорбируясь по его определенным граням, развитие которых они тормозят, и изменяя поверхностную энергию кристаллических граней по отношению к «среде». Первый путь, по мнению автора является основным, это подтверждается результатами микрорентгеноспектрального анализа, а также измерением пикнометрической плотности кремния и параметра его решетки с примесью натрия (табл.1).

Таблица 1
Влияние модифицирования на кристаллическую
структуру первичного кремния

Элемент Добавка,% Параметр решетки, нм Пикнометрическая плотность, кг/м3
Si - 0,543035 2330
Si Исходный 0,54329 2252
Na 0,05
0,10
0,20
0,53289
0,54292
0,54296
2629
2340
2368

  
Из таблицы 1 следует, что натрий увеличивает плотность включений βSi-фазы, по видимому способствуя росту металлической составляющей связи. Очевидным является факт активного взаимодействия вводимой добавки с первично кристаллизуемой фазой.

Изменение формы роста кристаллов очевидно приводит к замедлению процесса кристаллизации. Однако, в результате длительного прохождения межкритического интервала температур это замедление протекает незаметно. Можно допустить, что к моменту достижения эвтектической температуры жидкая фаза в определенной мере за счет действия натрия пересыщается кремнием. Подтверждением этому служит хорошо известный факт смещения эвтектической концентрации сплава под влиянием присадок натрия к большему содержанию кремния. Эвтектическое превращение в силумине протекает при строго определенном соотношении фаз. Поэтому замедление скорости роста одной из кристаллизующихся фаз в эвтектике неизбежно приводит к заметному переохлаждению.

Теоретический вывод заключается в том, что решающая роль в структурообразовании эвтектики принадлежит βSi-фазе. Эвтектика в системе Al-Si кристаллизуется при строго определенном соотношении ее составляющих. Нарушение этого равновесия приводит к вытеснению в окружающую жидкую фазу избытка ее составляющих. Нарушение этого равновесия приводит к вытеснению в окружающую жидкую фазу избытка ее составляющих. Не совсем корректно также предположение о том, что при модифицировании образуется псевдоэвтектика.

Практическое значение полученных результатов заключается в том, что создается возможность влияния на структурообразование силуминов с помощью микродобавок, вводимых на определенных этапах формирования фазовых составляющих сплавов. Важно при этом учитывать функциональное назначение изготовленных из них деталей. Некоторые отливки из силуминов приведены на рис.6.

Понимание происходящих явлений при кристаллизации силуминов позволило ОДО «Эвтектика» разработать набор препаратов для получения требуемой микроструктуры и свойств силуминов различного функционального назначения работы отливок.

КБC Rating All.BY Яндекс.Метрика Каталог TUT.BY Визитка ОДО «Эвтектика» на портале Металл РусОпт.ру