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

А.И. Вальтер, М.В. Шамордин

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 послекристалли-зационного 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

3 3

пределах 10" ... 6*10 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 Л1-Ре-Б1 и Л1-Ре-Б1-Мп, практически не растворимые в твердом алюминии.

Второй тип - эвтектические образования по границам дендритных ячеек; для дуралюминов - а+6(А12Сы), а+в+S(Аl2СuМg), а+Б [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.1, б) 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 Уохл, 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 аВ = 220, 210, 130 МПа, 8 = 2,3, 2,9, 1,2 %. Увеличение Кохл не привело в данном случае к улучшению механических характеристик, хотя структура измельчается. Такой характер изменения свойств следует объяснять возрастанием количества пор, попадающих в образцы, вы-

167

резаемых 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.

fjbvi Микротвердость, МПа

1600

1200

1000

ЯШ

600 Vojui, К/с

-3 -1 1,5 2,3 3 3,7

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

Другой причиной понижения Gft является сохранение пересыщенного твердого раствора при увеличении скорости охлаждения. При последующем старении ожидались выделение избыточных упрочняющих фаз и повышение прочности [2]. Вид четких выделений эвтектики (а + S) по границам зерен и дендритных ячеек ставит снижение пластичности 5 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+0+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 сохра-

168

нении 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 - в интервале 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 ß-фазы.

Список литературы

1. Белов Н.А. Фазовый состав алюминиевых сплавов. М.: МИСиС, 2010. 511 с.

2. Мондольфо Л.Ф. Структура и свойства алюминиевых сплавов. М.: Металлургия, 1979. 640 с.

3. Золоторевский В.С., Белов Н.А. Металловедение литейных алюминиевых сплавов. М.: МИСиС, 2005. 376 с.

4. Леви Л.И., Мариенбах Л.М. Основы теории металлургических процессов и технология плавки литейных сплавов. М.: Машиностроение, 1990. 496 с.

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

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

Вальтер Александр Игоревич, д-р техн. наук, проф., valter.alekaramhler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Шамордин Максим Валерьевич, асп., alen4ik11 @mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

COOLING EFFECT ON AL UMINUM ALLOY'S STRUCTURE AND CHARACTERISTICS

BY CRYSTALLIZA TION

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 sciences, professor, valter. alek a ramhler. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Shamordin Maxim Valeryevich, postgraduate, alen4ik11@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University