Материал: Теория литейных процессов.

о,

Относительное удлинение, %

Температура, К

Рис. 5.11. Зависимость механических и технологических свойств синтезированного из отходов силумина расплава от температуры перегрева

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

электросопротивление и вязкость жидкого алюминия немонотонно изменяются от температуры;

аномальный характер изменения свойств жидкого алюминия наблюдался в районах температур 983-1048, 1148-1233 и 1283-1323 К в зависимости от степени чистоты алюминия;

аномальное изменение р расплавов АЛ26 и АЛ2 было зафиксировано соответственно при 1243 и 1273 К, АД31 - 1023-1123 и 1223-1273 К, АЛ 9 - 998-1073 и 1173-1223 К;

механические и литейные свойства алюминиевых сплавов изменяются с температурой перегрева немонотонно: максимум значений этих свойств (сгв, НВ) наблюдался при 1023 и 1273 К; второй максимум свойств наблюдался при определенных перегревах над вторым порогом аномального изменения и существенно превышал значения их первого максимума;

с точки зрения практического приложения результатов исследований можно сделать вывод о том, что для достижения максимальных прочностных (часто и пластических) свойств сплавы должны быть перегреты выше второго аномального изменения физических свойств (р или v) на определенную для каждого конкретного сплава температуру;

повышение прочностных свойств алюминиевых сплавов за счет термического воздействия на жидкую фазу обусловлено получением более гомогенной структуры расплава вследствие равномерного распределения компонентов между структурными агрегатами расплава, о чем свидетельствует как исчезновение в структуре сплавов грубых игловидных выделений интерметаллидных фаз, так и измельчение зерен, а также существенный рост микротвердости а твердого раствора.

5.5.2.Влияние температурных режимов плавки и легирования алюминия

иего сплавов на их механические характеристики

Явление аномального изменения физических свойств жидкого алюминия и его сплавов целесообразно использовать для повышения эффективности легирования.

Жидкий алюминий перегревали до температур, существенно превышающих температуру плавления, и легировали медью (4; 10 мае. %). Температура заливки жидкого металла оставалась постоянной, равной 1023 К. Расплав охлаждали вместе с муфельной печью до температуры заливки и заливали образцы в песчаную и металлическую форму.

Зависимость механических свойств алюминиевых сплавов от температуры легирования носит сложный характер: наблюдаются два максимума прочностных свойств (сгв, НВ) при 1073 и 1373 К, т. е. при определенных перегревах над порогом аномального изменения свойств

расплавов (рис. 5.12, 5.13). Изменение механических свойств исследованных сплавов соответствует структурным изменениям; положение первого максимума <тв (1073 К) - температуре перехода структуры ближнего порядка по типу полиморфных превращений (В. 3. Кисунько, И. А. Новохатский), о чем свидетельствует изменение дифракционной картины отраженного рентгеновского излучения жидким алюминием при 1073 К (А. В. Емельянов).

нв

6

I

40

Рис. 5.12. Механические свойства сплава А1 + 4,0 % Си в зависимости от температуры легирования: 1 - литье в кокиль; 2 - литье в песчаную форму

Положение второго максимума 1373 К на 200 К выше температуры второго порога аномального изменения физических свойств жидкого алюминия (1173 К). Аналогично изменяются с температурой перегрева механические

порога аномального изменения 1273 К на 150 К. Разупрочнение алюминиевых

формирование статистически разупорядоченных зон расплава, где достигается наибольшая его гомогенность.

Независимо от природы и механизма изменения физических свойств жидкой фазы алюминия можно сделать вывод, что для оптимизации механических свойств отливок расплавы должны насыщаться легирующими добавками при температурах, превышающих порог аномального изменения свойств жидкой фазы на определенную величину. При этом достигается максимальная дисперсность структурных составляющих.

Таким образом, путем термической обработки алюминиевых расплавов можно получить модифицированную структуру и хорошие механические свойства силуминов без дополнительных добавок-модификаторов.

Однако до сих пор отсутствует удовлетворительное объяснение механизма влияния температурной обработки расплавов, в частности алюминиевых, на свойства литого металла. Структурно-чувствительные свойства расплавов алюминия (вязкость, электросопротивление) и концентрация водорода в температурной области 680-1300 °С трижды скачкообразно изменяются. При этом также скачкообразно изменяются энергия активации вязкого течения и тепловой эффект процесса растворения водорода в жидком алюминии. Механизм скачкообразных структурных превращений пока окончательно не выяснен. К наиболее распространенной гипотезе относится гипотеза скрытых переходов, включающая положение «кластерного полиморфизма». Однако представление о жидкой фазе как квазиполикристаллическом теле не согласуется с описаниями таких свойств жидкости, как текучесть, несжимаемость, вязкость и диэлектрические свойства. Кроме того, приводимая гипотеза не объясняет, каким образом полиморфное превращение в кластерах влияет на измельчение структуры отливки.

Теоретические предпосылки «за» и «против» превращений подробно рассмотрены в работах П. С. Попеля.

С точки зрения микроэмульсионного строения жидкости переход от неравновесного состояния расплава к более равновесному сводится к уменьшению площади поверхности разделов капель эмульсии, а также их взаимному растворению друг в друге. С таким переходом связывается улучшение механических характеристик эвтектических сплавов, перегретых выше температуры достижения полной равновесности расплава. Однако такое представление игнорирует процессы массопереноса и не в состоянии объяснить наличие трех и большего числа критических температур, отвечающих скачкам или перегибам кривых структурно-чувствительных свойств сложнолегированных алюминиевых сплавов в указанном ранее температурном интервале.

В практике получения алюминиевых сплавов сложилось представление об отрицательном влиянии высокого перегрева (более 1073 К) на их механические свойства. Однако изменение механических и эксплуатационных свойств алюминиевых сплавов в зависимости от температуры перегрева носит

сложный характер и оценка температурного воздействия на расплав алюминия неоднозначна.

Из всех известных технологических приемов к наиболее сложным и наименее ясным по характеру протекающих при этом явлений следует отнести технологию подготовки расплава к заливке, несмотря на значительный интерес исследователей к данному вопросу. Это можно объяснить недостаточной изученностью взаимосвязи между строением, свойствами расплавов и качествами получаемых из них отливок.

Резерв повышения эксплуатационных и технологических свойств литейных алюминиевых сплавов содержится в развитии представлений, связанных с явлением металлургической наследственности - передачи наследственной информации о структуре жидкой фазы на структурообразование сплавов в процессе их кристаллизации.

К признакам наследственной информации можно отнести степень микрогетерогенизации расплава и структурные особенности жидкой фазы (стехиометрия комплексов, параметры ближнего порядка структурных агрегатов и т. д.) (В. И. Никитин). На параметры структуры расплава значительное влияние оказывают температура и длительность перегрева жидкой фазы над равновесной температурой плавления, а также термоскоростная обработка, модифицирование, легирование, раскисление, обработка расплава электрическим током, электромагнитным полем и другими физическими воздействиями (А. Г. Пригунова и др., В. И. Муравьев и др.). Качество литых деталей связано также с процессами, проходящими при затвердении и охлаждении отливок. Поэтому исследование строения и структурно-чувствительных свойств расплава с изучением процессов структурообразования, литейных и эксплуатационных характеристик алюминиевых сплавов позволяет установить взаимосвязь между двумя агрегатными состояниями и оценить влияние природы жидкой фазы на процессы формирования структуры и свойств металла. Проведение в этом направлении комплексных исследований позволило бы выявить эффективные методы воздействия на расплав для разработки оптимальной технологии подготовки расплава к заливке в литейную форму.

Чугуны. Известно, что для достижения максимума прочностных свойств конкретному химическому составу чугуна должен соответствовать определенный перегрев расплава над линией ликвидуса. Поэтому выбор оптимальных температурных режимов плавки чугуна необходимо связывать с характером изменения структурно-чувствительных свойств расплавов при нагреве или охлаждении.

Из политермы плотности d расплава Fe-C следует, что в процессе его охлаждения на участке 0-1 наблюдается уплотнение расплава с последующим разуплотнением на участке 1-2. При 1540 °С (точка 2) происходит резкое уплотнение расплава (2-3), далее значение d возрастает по линейному закону. Увеличение d на участке 0-1 обусловлено влиянием температурного фактора, а

падение его на участке 1-2 можно было бы объяснить «кипением» расплава изза выделения микропузырьков окиси углерода. На участке 2-3 «кипение» расплава прекращается (рис. 5.14). Однако правильность такого объяснения сомнительна ввиду очень узкого интервала температур, в котором протекает дегазация. По мере роста концентрации углерода, примерно до эвтектического состава, температурный порог уплотнения (ТПУ) расплава снижается, а степень

уплотнения d , - d 2 100% достигает максимума при 3,9 мае. % С (табл. 5.7).

Л

Если учесть, что с увеличением содержания углерода в чугуне растворимость кислорода возрастает, то уменьшение степени уплотнения расплавов при содержаниях углерода более 3,9 мае. % нельзя объяснить только явлением газовыделения.

Температура, °С

Рис. 5.14. Политерма плотности жидкого чугуна

Таблица 5.7

Зависимость температурного порога и степени уплотнения железоуглеродистых расплавов от содержания углерода

Возможно, что предполагаемые изменения газосодержания являются своего рода «вторичным» эффектом. Непосредственная же причина проявления ТПУ расплава связана со статистическим упорядочением расплава при охлаждении и статистическим разупорядочением его при нагреве.

Положение ТПУ зависит не только от химического состава чугуна, но и от скорости охлаждения расплава. Было исследовано влияние скорости