Влияние параметров охлаждения при кристаллизации на структуру и свойства алюминиевых сплавов

УДК 669.2/716

ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОХЛАЖДЕНИЯ ПРИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

,

Представлены результаты проведенных исследований опытных отливок из алюминиевого сплава Д16, полученных литьем в металлические формы. Приведены результаты механических испытаний образцов опытных отливок. Рассмотрены параметры охлаждения отливок из алюминиевых сплавов, влияние скорости кристаллизации и послекристаллизационного охлаждения на свойства сплава Д16.

Ключевые слова: литье в металлические формы, алюминиевые сплавы, предел прочности, твердость, кристаллизация, послекристаллизационное охлаждение

Анализ современных тенденций в мировом автомобилестроении пока­зывает, что одним из основных направлений является создание более легких автомобилей. Используемые при этом материалы должны обеспе­чивать повышение потребительского ка­чества, безопасность автомобиля в эксплуатации, возможность утилизации в конце срока службы и быть эко­номически целесообразными.

Среди материалов, конкурирующих со сталью, в автомобилестрое­нии, в первую очередь следует отметить алюминиевые сплавы. Они имеют ряд преимуществ перед сталью: высокую коррозионную стойкость, мень­ший вес, лучшие, в ряде случаев, эксплуатационные характеристики, более высокую удельную жесткость деталей, возможность почти 100% утилиза­ции алюми­ниевых деталей. Указанные преимущества, при рациональном их использовании, обеспечивают повышение уровня экологической, актив­ной и пассивной безопасности.

Микроструктура слитков и отливок после литья зависит от ряда факто­ров: состава сплава, присутствия в расплаве центров кристаллиза­ции, усло­вий кристаллизации (интенсивности теплоотвода, наличия до­полнительных физических воздействий), размеров и формы изделия [1]. С целью установления влияния этих факторов поставлена серия эксперимен­тов на литых заготовках из сплава Д16.

Исследования влияния скорости кристаллизации и послекристалли­зационного охлаждения выполнены на цилиндрических слитках сплава Д16 диаметром 5, 9, 20 и 50 мм, полученных в массивных металлических фор­мах. Поскольку габариты форм постоянны, то при изменении диаметра слит­ка, изменяется объем заливаемого металла и, следова­тельно, скорость охлаждения. Кроме того, сплав кристаллизовался в тонкостенной керами­ческой форме при ее охлаждении вместе с печью и на возду­хе. Варьирова­ние условий получения слитков изменяет скорость охлаждения сплавов в пределах (10-3 – 6*103) К/с. Для анализа структурных изменений в сплаве целесообразно выделить два типа фаз (на уровне световой микро­скопии). Первый – фазы, образующиеся при кристаллизации расплава и в дальней­шем не претерпевающие изменений (если не используется высоко­темпера­турная гомогенизация или пластическая деформация). Согласно работе [3], для сплава Д16 это фазы Al-Fe-Si и Al-Fe-Si-Mn, практически нерас­твори­мые в твердом алюминии.

Второй тип – эвтектические образования по границам дендритных яче­ек; для дуралюминов – а+и(А12Сu), а+и+S(А12СuМg), а+S [4]. При темпе­ратурах, приближающихся к линии солидус, происходит растворе­ние образо­ваний этих фаз. Из рис. 1 следует, что интенсификация ох­лаждения при получении слитков приводит к измельчению фаз первого ти­па и постепенному устранению их разветвленного строения.

а  б

Рис. 1. Микроструктура литого сплава Д16 (х500)

а-охлаждение на воздухе, б – охлаждение с печью

Влияние скорости охлаждения на картину распределения в сплаве фаз второго типа не столь однозначно. При охлаждении расплава вместе с печью (рис.1б) эвтектические выделения фаз второго типа отсутствуют, что объ­ясняется приближенными к равновесным условиям охлаждения. На рис. 2 приведена зависимость влияния скорости охлаждения на микротвердость сплава Д16.

До скорости 3000 К/с имеет место упрочнение материала с ростом Vохл, что объясняется уменьшением размера дендритных ячеек и процес­сами распада пересыщенного твердого раствора, который образовался при ох­лаждении расплава и слитка. 5, 9, 20 и 50 мм

Предел прочности и пластичность слитков 50, 20 и 9 мм составили, соответственно, - 220, 210 и 130 МПа, - 2,3; 2,9 и 1,2%. Увеличение Vохл не привело в данном случае к улучшению механических характери­стик, хотя структура измельчается. Такой характер изменения свойств сле­дует объяс­нять возрастанием количества пор, попадающих в образцы, вы­резаемых из слитков меньшего диаметра. В «массивных» слитках пористость переходит в прибыльную часть, которая отрезается при изго­товлении образцов. При бо­лее быстрой кристаллизации пористость равно­мерно распределена по объ­ему слитка и переходит в образец.

Рис. 2. Зависимость влияния скорости охлаждения на микротвердость сплава Д16

Другой причиной понижения является сохранение пересыщен­ного твердого раствора при увеличении скорости охлаждения. При после­дующем старении ожидалось выделение избыточных упрочняющих фаз и повышение прочности [2]. Вид четких выделений эвтектики (а + S) по гра­ницам зерен и дендритных ячеек ста­вит снижение пластичности   только за счет пор под сомнение. Поэтому требуется раздельная оценка влияния скорости кристаллизации и послекристаллизационного охлаждения.

Для оценки раздельного влияния скорости кристаллизации и по­слекристаллизационного охлаждения автором работы [6] была поставлена серия экспери­ментов на отливках из сплава Д16. Отливалась серия клино­образных отливок в песчаных формах. Размеры отливок - основание ко­нуса 80x80 мм, высота – 150 мм.

После завершения кристаллизации часть отливок охлаждалась в фор­ме, а часть водой. Наличие переменного сечения отливок по­зволяло проводить кристаллизацию сплава и последующее охлаждение с разными скоростями. Микроструктурные исследования показали, что увели­чение скорости послекристаллизационного охлаждения (охлаждения в воде) при­водит к сохранению по границам дендритных ячеек эвтектических обра­зований типа (а+и+S).

Отсутствие или наличие лишь остатков эвтектики в отливках, ох­лаж­денных в форме, следует объяснять близкими к равновесным условиям охлаждения, а также их возможным растворением при длительном сохра­нении воздействия высокой температуры при охлаждении. Между разме­рами дендритных ячеек в массивной и тонкой частях отливок установ­лено некоторое различие, заключающееся в меньшем максимально наблю­дае­мом размере. Так в тонкой части (окончание клина) размер ячеек лежит в интервале (40 -110) мкм, а в массивной части (40 - 140) мкм.

При форсированном охлаждении отливок в воде с температур конца кристаллизации фиксируется высокотемпературное состояние сплава. Для него характерно наличие по границам дендритных ячеек нерав­новесных эвтектических фаз кристаллизационного происхождения [5]. При мед­ленном охлаждении с печью после завершения кристаллиза­ции происходит процесс растворения неравновесных фаз. Размер дендрит­ных ячеек в случае кристаллизации в печи с температурой 400 °С не пре­вышает 60 мкм, а с температурой 450 °С достаточно много ячеек с размером 85 мкм.

В таблице представлены результаты определения твердости слитков из сплава Д16.

Результаты определения твердости слитков из сплава Д16

Режим полу­чения слит­ков	Т = 450°С, охлаждение с печью	Т = 450°С, охлаждение в воде	Т = 400°С, охлаждение с печью	Т = 400°С, охлаждение в воде
HV, Мпа	770	690	790	700

Приведенные данные свидетельствуют о том, что при более мед­ленном охлаждении с температур конца кристаллизации твердость выше для обоих значений температур затвердевания. Такое влияние скорости охлаждения на значение твердости можно объяснить тем, что при форси­рованном охлаждении сохра­няются эвтектические образования, что при­водит к обеднению твердого рас­твора магнием и разупрочнению сплава. При медленном охлаждении магний на начальном этапе переходит в твер­дый раствор (при растворении эвтекти­ки), а затем в процессе дальнейшего охлаждения происходит выделение достаточно дисперсных частиц в-фазы.

Список литературы

1. Белов состав алюминиевых сплавов. М.: МИСиС, 2010. - 511с.

2. Мондольфо и свойства алюминиевых сплавов. М.: Металлургия, 1979. - 640 с.

3. , Белов литейных алюминиевых сплавов. М.: МИСиС, 2005. - 376 с.

4. Леви теории металлургических процессов и технология плавки литейных сплавов / , . - М.: Машиностроение, 1990. - 496 с.

5. Фридляндер деформированные алюминиевые сплавы. М.: Гос. науч.-техн. Изд-во «ОБОРОНГИЗ», 1960. - 292 с.

6. Чечушкин экономной технологии получения и термической обработки кокильных отливок из алюминиевых сплавов. М.: Наука, 1999. - 146 с.

, д-р техн. наук, проф., valter. *****@***ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

, аспиран., *****@***ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет.

COOLING EFFECT ON ALUMINUM ALLOY’S STRUCTURE AND CHARACTERISTICS BY CRYSTALLIZATION

A. I. Walter, M. V. Shamordin

There're presented the research results of experimental aluminum alloy D16, which were produced by casting in metal molds. There're presented mechanical tests results of experimental castings samples. There're examined casting’s cooling effects of aluminum alloys, crystallization and  postcrystallization cooling effect on aluminum alloy D16.

Key words: casting in metal molds, aluminum alloys, ultimate strength, solidity, crystallization, after crystallization cooling.

Walter Alexandr Igorevich, doctor of technical science, professor, valter. *****@***ru, Russia, Tula, Tula State University,

Shamordin Maxim Valeryevich, post-graduate student, *****@***ru, Russia, Tula, Tula State University.