Исследование тепловых и силовых условий литья с кристаллизацией под давлением алюминиевых сплавов с целью производства высококачественных отливок ответственного назначения (23.11.2009)

Автор: Батышев Константин Александрович

Металл, сплав, КМ (з, с (Ткр, оС ро, МПа (h/H)з

Алюминий А7 6,2 10 95 0,099

Al – 5%SiC 10,2 5 55 0,043

Al – 10%TiC 6,8 6 35 0,053

АК12 6,9 8 140 0,066

AK12 – 5%SiC 7,1 4 100 0,045

AK12 – 5%TiC 10,2 5 110 0,075

Al - 4,5%Cu 9,2 11 50 0,120

Al – 4,5%Cu – 2%Al2O3 13 8 140 0,108

Примечание. (з – время затвердевания; (Ткр – повышении температуры кристаллизации

(ликвидус) под воздействием давления; ро – давление, при котором начинается повышение

температуры кристаллизации металла (сплава); (h/H)з - относительное перемещение

верхнего торца отливки в момент окончания затвердевания

Следует отметить, что введение упрочняющих частиц в металлический расплав изменяет свойства сплавов и их склонность к уплотнению во время затвердевания (табл. 3). Отливки из композиционных материалов уплотняются в меньшей степени, чем отливки из традиционных алюминиевых сплавов.

В четвертой главе приведены результаты исследования структуры и свойств «корок» и отливок, изготовленных с использованием основных схем прессования.

????????????????AE?,

?????????????

????????????

?????????

]„Eя`„@

????????????????

Ѓ:твердого раствора. Количество выступающих дендритов, растущих быстрее эвтектики, - незначительно. В отдельных местах выявлены участки сферической формы, ограниченные светлой полосой, структура которых не отличается от структуры близлежащих участков и состоит из дендритов (-твердого раствора и эвтектики. На отдельных участках поверхности «корки» выявлены элементы, имеющие форму удлиненной капли, по-видимому, образовавшиеся после отрыва «корки» от не затвердевшего остатка за счет вытеснения жидкой фазы из междендритных промежутков или за счет действия сил, возникших на границе «расплав - фронт затвердевания» при отрыве «корки».

Микроструктура «корок» в сечении имеет направленный характер (в соответствии с теплоотводом) – от пуансона к поверхности отрыва ее от не затвердевшего остатка. При этом переходе размер дендритной ячейки увеличивается прямо пропорционально расстоянию от наружной поверхности (по линейной зависимости).

Механические свойства «корок» следующие (литое состояние; ось разрывных образцов перпендикулярна приложенному усилию прессования):

(в=175…180 МПа; (=11,4…12,0 % (сплав АК12);

(в=202…209 МПа; (=14,2…18,0 % (сплав АК7ч).

При изучении структуры цилиндрических отливок подтверждены данные других исследователей, проводивших исследование структуры сплавов цветных металлов на разной основе, что в условиях ЛКД структура отливок измельчается. Этому способствуют повышенная скорость охлаждения и воздействие давления как на условия возникновения центров кристаллизации, так и на растущие кристаллы.

Полученные экспериментальные данные хорошо согласуются с известной теоретической зависимостью:

где r( - радиус критического зародыша; ( - поверхностное натяжение на границе «зародыш-расплав»; (Т – переохлаждение расплава; dT – изменение температуры кристаллизации сплава, обусловленное изменением давления на величину dp; V2, V1 – объемы жидкой и твердой фаз соответственно. Из выражения (16) видно, что уменьшение размера критического зародыша и измельчение структуры сплава в отливках при ЛКД происходит не только за счет увеличения переохлаждения, но и за счет повышения давления прессования.

Наиболее существенное измельчение структуры (в 2…3 раза) наблюдается в области давлений от атмосферного до (100 МПа; последующее повышение давления до 300…400 МПа также приводит к уменьшению размеров зерен, но в значительно меньшей степени, чем в первой области давлений.

Структура отливок из доэвтектических силуминов характеризуется наличием дендритов (-твердого раствора и эвтектики ((+Si). В структуре отливок из сплава Al-13%Si, затвердевших под атмосферным давлением, содержатся кристаллы первичного кремния (КПК) и эвтектика. При ЛКД размеры КПК уменьшаются с увеличением давления (рис. 10), уменьшается также и площадь, занятая ими, что указывает на сдвиг эвтектической точки вправо - к кремнию. В отливках из заэвтектического силумина (с 25%Si) с повышением давления при кристаллизации КПК также измельчаются (дробятся); если при литье в кокиль их размеры находились в пределах 70…75 мкм, то при рн=320 МПа – 20…23 мкм; конфигурация (форма) КПК при этом не изменяется (рис.9).

Смещение эвтектической точки вправо, измельчение эвтектики, увеличение растворимости кремния в алюминии и наблюдаемое устранение усадочной пористости в формирующихся при ЛКД отливках приводит к повышению их механических свойств. Одновременное повышение прочностных ((в, НВ) и пластических (() характеристик силуминов при ЛКД можно объяснить измельчением дендритов (-твердого раствора, КПК и составляющих эвтектики, а также физическими свойствами последней.

Рисунок 9. – Микроструктура отливок из сплава Al-25%Si, затвердевших под

атмосферным давлением (а) и давлением 320 МПа (б)

Изучение микроструктуры силуминов с 13…25%Si показало, что КПК имеют разное строение и располагаются на фоне (-твердого раствора, но это не отражается кардинально на изменении механических свойств; главное здесь – не строение КПК, а их размеры, изменяющиеся под воздействием давления на затвердевающую отливку. Давление приводит к измельчению КПК, но не оказывает существенного влияние на их конфигурацию (рис. 10).

Рисунок 10. – Форма кристаллов первичного кремния в отливках из сплава Al-17%Si,

затвердевших под давлением 160…320 МПа

Применены методы планирования экспериментов с использованием планов Рехтшафнера (для двойных сплавов системы Al-Si) и Хартли (для высокопрочных сплавов системы Al-Si-Cu). Получены уравнения регрессии и графические зависимости, связывающие значения прочности и пластичности сплавов в отливках с основными параметрами ЛКД.

Микроструктура сплавов систем Al-Cu и Al-Mg при кристаллизации под давлением также претерпевает существенные изменения, приводящая к изменению параметров затвердевания, уплотнения и механических свойств отливок. Так, в сплавах системы Al-Cu при кристаллизации под давлением наблюдается резкое измельчение (-твердого раствора и фазы Сu-Al2. У сплавов, близких к эвтектическому составу и кристаллизующихся в типично дендритной форме, выявлено заметное уменьшение размеров дендритных ячеек, по которым рассчитана скорость охлаждения, эквивалентная действующему давлению.

Повышение давления при кристаллизации приводит к измельчению структуры отливок из сплавов системы Al-Zn-Mg (например, сплава АЛ24П) как в литом состоянии, так и после термообработки по режиму Т6. Микроструктура отливок из них в литом состоянии характеризуется наличием дендритов (-твердого раствора и различных фаз, число и объем которых заметно изменяется и по сечению, и по высоте заготовки. С увеличением давления расстояние между осями дендритов второго порядка уменьшается, а количество фазы MgZn2 увеличивается в верхней зоне. В средней зоне по высоте с увеличением давления не только уменьшается расстояние между осями дендритов второго порядка, но и наблюдается изменение в расположении фазы MgZn2 и T-фазы (Al2Mg3Zn3).


загрузка...