Монотектичне перетворення і управління структурою та властивостями сплавів на основі Al i Si

Слід зауважити, що в роботах, присвячених дослідженню роста кристалів із розплаву, подібний тип мікроморфології поверхні не розглядався. Рельєф поверхні кристалів не може бути описаний тільки з позицій дислокаційного механізму росту. Морфологічні ознаки свідчать, що формування кристала з полікраплинного Al-Si розплаву може здійснюватися за механізмом, аналогічному ПРК (пара - рідина - кристал) - механізму росту ниткоподібних кристалів із газової фази. Тому встановлені в роботі особливості морфології поверхні кристалів пояснюються на основі сучасних уявлень матеріалознавства ниткоподібних і рідких кристалів. Відомо, що ріст ниткоподібного кристала починається з конденсації на подложці краплі рідкої фази. Після утворення краплі під нею починає формуватися кристалічний стовпчик - зародок ниткоподібного кристала. Циліндричний стовпчик зростає під краплею перпендикулярно поверхні подложки, а крапля, що знаходиться на плоскій вершині ниткоподібного кристала, піднімається над поверхнею подложки. Діаметр і морфологія горбка росту визначаються розміром краплі і поверхнею контакту краплі з кристалом. Чітка періодичність концентричних щаблів росту на плоскій вершині ниткоподібного кристала може бути обумовлена періодичною текстурою самої краплі.

Можливо, поверхня кристалів кремнієвої фази при рості в мікронеоднорідному Al-Si розплаві формується за аналогічним ПРК механізмом росту. Умовно процес росту кристала за РКК (розплав - крапля - кристал) - механізмом можна розділити на чотири основні стадії: 1) масоперенесення в розплаві; 2) адсорбція атомів кремнію на границі розплав-крапля; 3) дифузія атомів кремнію через краплю до поверхні кристала; 4) приєднання атомів до поверхні кристала.

У восьмому розділі "Технологічні рекомендації та результати дослідно-промислового випробування" наведені рекомендації по використанню результатів роботи у виробництві і результати дослідно - промислового випробування в умовах ВАТ "Мотор Сiч". Результати даної роботи можуть бути використані при розробці нових і вдосконаленні існуючих технологій отримання виливків із силумінів. Розподіл (сепарація) Al-Si розплаву в температурному інтервалі монотектичного розшарування на дві рідини дозволить одержувати виливок з однорідною структурою та стабільними властивостями.

Дослідно - промислове випробування здійснювали в умовах ливарного цеху №1 ВАТ "Мотор Сiч" із використанням заевтектичних, евтектичних і доевтектичних силумінів. Найбільш значимі результати одержали при виробництві поршня двигуна внутрішнього згорання високої питомої потужності. Для лиття поршнів двигунів внутрішнього згорання високої питомої потужності застосовуються заевтектичні силуміни, які містять до 27,5%Si. Високий рівень експлуатаційних характеристик поршня забезпечується формуванням рівномірної структури виливка. При модифікуванні заевтектичних Al-Si сплавів NaH2PO4 реалізується монотектичне розшарування розплаву на два шари: Ж1 і Ж2. Висококремністий розплав Ж2 містить 26%Si і після розшарування знаходиться у верхній частині тигля. При кристалізації Ж2 формується рівномірна структура верхньої частини виливка.

Для лиття поршня двигуна внутрішнього згорання високої питомої потужності розроблений експериментальн сплав АК26МHе, який містить 25,5...26,5%Si; 1,5...2…2,0%Cu; 08,…1,3%Ni; 0,2…0,4%Cr; 0,5…1,0%Mg. Модифікування розплаву 0,5%NaH2PO4 проводили при температурі 880оС…900оС. Для монотектичного розшарування сплав охолоджували до 820оС…830оС і витримували протягом 10...15 хвилин. Після чого здійснювали заливку деталей із температури 820оС…830ос. Для лиття використовували 2/3 об'єму сплаву. Залишок металу використовували при наступній плавці. Виливок "поршень" та зразки для механічних випробувань піддавали термічній обробці за режимом Т2 (відпалення при 230°С протягом 12 годин із наступним охолодженням на повітрі). Після термообробки досліджували структуру, механічні властивості і хімічний склад сплаву. Визначали також механічні властивості і мікроструктуру зразків поршня зі сплаву "Маhlе 244".

Методом металографічного аналізу контролювали рівномірність розподілу, форму росту і розмір первинних кристалів, а також форму росту і розмір евтектичних кристалів твердого розчину на основі Si. Розмір кристалів в експериментальному сплаві АК26МНе менше, а рівномірність розподілу кристалів вище, ніж у сплаві Mahle 244. Структура експериментального сплаву відповідає вимогам до мікроструктури силумінів фірми "Mahle" - головного світового виробника поршневих заевтектичних Al-Si сплавів і забезпечує високий рівень механічних властивостей при кімнатній і підвищених температурах. Межа міцності: sу=192МПа, твердість: НВ=106 кг/мм2. Межа міцності при 200оС: s =186МПа і при 300оС: s =138МПа. Межа тривалої міцності при 100 годинах навантаження і 200оС: s =126МПа, при 100 годинах і 300оС: s =61МПа. Механічні властивості експериментального сплаву АК26МНе вище, ніж сплаву Маhle244.

Результати роботи також використані при модифікуванні евтектичних і доевтектичних силумінів, які містять менше 13%Si. Дослідно - промислове випробування показало, що при модифікуванні евтектичних (АК12) і доевтектичних (АК7ч) силумінів 0,05%NaH2PO4 підвищується якість поверхні виливків і знижується кількість підкіркових міхурів. Модифікування евтектичних силумінів NaH2PO4 супроводжується підвищенням міцності сплавів (sв) на 10% і пластичності (y) на 50%.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ ТА РЕЗУЛЬТАТИ

В роботі одержані нові експериментальні та теоретичні результати в області металознавства, що сприяють рішенню важливої наукової проблеми: розвиток теорії структуроутворення Al-Si сплавів на основі нових даних про вперше встановлене явище монотектичного перетворення в силумінах, модифікованих гідроортофосфатами лужних металів, що необхідно для розробки нових технологій, які забезпечують формування однорідної структури виливків, підвищення і стабілізацію експлуатаційних характеристик сплавів на основі Al і Si.

У дисертації вперше встановлено явище монотектичного розшарування Аl-Sі розплавів, модифікованих гідроортофосфатами лужних металів, і досліджені закономірності монотектичного структуроутворення силумінів, модифікованих NaH2PO4. На основі нових уявлень про природу гетерогенної будови Аl-Sі розплавів запропоновано комплекс технологічних прийомів, що забезпечують отримання гомогенного розплаву та виливків з однорідною структурою. Використання монотектичного розшарування гетерогенного розплаву дозволяє одержувати два гомогенних розплави. Розроблено склад експериментального поршневого сплаву АК26МНе та технологічні інструкції отримання поршнів в умовах ливарного виробництва ВАТ "Мотор Сiч".

1.Аналіз літературних джерел свідчить, що неоднорідність структури виливків у значній мірі обумовлена гетерогенною будовою Al-Si розплаву. Існуючі методи гомогенізації розплаву неефективні. Після припинення впливу на метал розплав знову стає неоднорідним. Пояснення природи гетерогенності Al-Si розплавів дуже суперечливі. До цієї роботи відомості про монотектичне перетворення у висококремністих силумінах були відсутні. Багато дослідників вказують на існування в Al-Si розплавах структурних угруповань -Sі-О-Sі-. При цьому автори не розглядають гетерогенну будову Al-Si розплавів на основі уявлень про структуру полімерів і монотектичне розшарування силумінів. Відповідно до сучасних уявлень, для рідких полімерів характерні мікронеоднорідна будова та розшарування розплаву на рідкі фази , що не змішуються. Тому з'ясування природи розшарування Al-Si розплавів і закономірностей монотектичного перетворення є актуальною проблемою, рішення якої необхідно для розробки способів отримання однорідної структури виливків і підвищення експлуатаційних характеристик силумінів.

2.Методами диференціального термічного (ДТА), g-абсорбційного і загартовочно-мікроструктурного, мікрокристаломорфологічного і мікрорентгеноспектрального аналізів встановлено, що перегин на лінії ліквідус системи Al-Si обумовлений мікророзшаруванням розплаву нижче температури ліквідус в області твердо - рідкого стану. Верхня критична точка куполоподібної області мікророзшарування розплаву розташована нижче перегину на лінії ліквідус і відповідає концентрації 57%Si і температурі 860оС. Рідка фаза Ж1 збагачена атомами алюмінію, а Ж2 відрізняється підвищеним вмістом кремнію. Мікророзшарування розплаву спостерігається в температурному інтервалі 860°С...577°С. На рідкі фази Ж1 і Ж2 розшаровується розплав, який знаходиться між первинними кристалами твердого розчину на основі Si.

3.Методами макро- і мікроструктурного, диференціального термічного, загартовочно-мікроструктурного, мікрокристаломорфологічного, спектрального та рентгеноструктурного аналізів встановлено, що в заевтектичних Al-Si сплавах, модифікованих гідроортофосфатами лужних металів (NaH2PO4, Na2HPO4 і KH2PO4), реалізується монотектичне перетворення. Визначено концентраційні й температурні інтервали монотектичної рівноваги (Ж2ЫЖ1+g-Si) у силумінах, модифікованих NaH2PO4. Побудовано політермічний розріз Al-Si-3%NaH2PO4 системи Al-Si-NaH2PO4. Монотектичне розшарування розплаву на два шари рідких фаз Ж1 і Ж2, реалізується в домонотектичних сплавах, які містять 12,5%Si...26%Si. Верхня критична точка купола монотектичного розшарування розплаву відповідає 20%Si і температурі 880°С. Сплав монотектичного складу містить 26%Si. Монотектичне перетворення реалізується в інтервалі 770°С-590°С в модифікованих сплавах, які містять більше 12,5%Si. Повторні переплави сплавів не змінюють температурні і концентраційні інтервали монотектичної рівноваги.

4.Методом металографічного загартовочно-мікроструктурного і мікрокристаломорфологічного аналізів вперше встановлені закономірності монотектичного структуроутворення силумінів, модифікованих NaH2PO4. При кристалізації домонотектичних сплавів, які містять 12,5%Si...26%Si, формуються дві структурні зони виливка, між якими існує чітка границя розподілу. Формування верхньої та нижньої структурних зон виливка обумовлено монотектичним розшаруванням розплаву на два шари рідких фаз Ж2 і Ж2, що не змішуються . Верхня висококремніста зона містить 26%Si. Нижня зона - 12,5%Si. Монотектичне перетворення (Ж2ЫЖ1+g-Si) реалізується у верхній висококремністій області виливка і супроводжується формуванням монотектичних кристалів сферичної форми.

5.Методом мікрорентгеноспектрального аналізу вперше встановлено, що вміст кисню в монотектичних сферолітах g-Si твердого розчину нижче,ніж у пластинчастих первинних кристалах. Зниження вмісту кисню в кристалі може супроводжуватися послабленням кремній - кисневих зв'язків -Sі-О-Sі- і сприяти формуванню сфероліта. Формування сферичного кристала є наслідком розщеплення пластинчастого зародка в процесі росту. Розщеплення пластинчастого зародка обумовлено послабленням хімічного зв'язку в кристалі. Зниження вмісту розчиненого кисню є одним із факторів, що сприяють послабленню хімічного зв'язку в кристалі і формуванню монотектичного сфероліта g-Si твердого розчину. Аналогічно кисень впливає на формування кристалів кулястого графіту у високоміцних чавунах

6.Методом мас-спектрального аналізу вперше встановлено, що монотектичне перетворення супроводжується ефективним фазовим розділенням стабільних ізотопів 28Si, 29Si і 30Si між монотектичними кристалами і рідкими фазами Ж1 і Ж2. Монотектичні сфероліти g-Si твердого розчину мають низький вміст важкого ізотопу 30Si. Зменшення концентрації важких ізотопів 30Si супроводжується послабленням хімічного зв'язку в кристалі і є одним із факторів, що сприяють розщепленню пластинчастих зародків у процесі росту і формуванню монотектичних сферолітів. Встановлено, що ізотопний склад евтектичних і первинних кристалів твердого розчину на основі Si у силумінах також істотно відрізняється від природного (початкового) ізотопного складу Si.

7.Методом виміру мiкротвердості вперше встановлено, що фазові перетворення, які реалізуються при високому тиску під індентором мікротвердоміра в монотектичних сферолітах, відрізняються від перетворень, що реалізуються в первинних кристалах. Під індентором мікротвердоміра при високому тиску в монотектичних і первинних кристалах реалізуються фазові перетворення. Зміна мiкротвердості кристалів при збільшенні навантаження на індентор є наслідком зміни типів, об'ємного співвідношення і твердості фаз, які утворюються при високому тиску під індентором мікротвердоміра. Методами виміру мiкротвердості і рентгеноструктурного аналізу встановлено, що рівень мікронапруг у монотектичних сферолітах нижче, ніж у пластинчастих первинних кристалах, що формуються в подвійних сплавах.

8.Встановлено особливості формування радіально-променистих і кільцевих сферичних кристалів в силумінах. Формування радіально - променистих сферолітів в силумінах, модифікованих NaH2PO4, здійснюється аналогічно росту кулястих кристалів графіту у високоміцних чавунах і є наслідком розщеплення в процесі росту пластинчастого зародку. Присутність неупорядкованих шарів, низький вміст розчиненого кисню і важких ізотопів 30Si послаблюють хімічний зв'язок у кристалі. Тому при рості в переохолодженому розплаві пластинчастий зародок монотектичного сфероліта, подовжуючись, розщеплюється у вигляді віяла. Кільцеві сфероліти формуються при вторинній кристалізації радіально-променистих сферичних кристалів.

9.Методами загартовочно-мікроструктурного і мікроморфологічного і мікрорентгеноспектрального аналізів вперше встановлені закономірності формування мікроморфології поверхні кристалів кремнієвої фази при кристалізації з мікронеоднорідного Al-Si розплаву. В температурно - концентраційних інтервалах монотектичного перетворення і підліквідусної ліквації істотно змінюється морфологія граней кристалів. Зміна мікрорельєфу граней може бути обумовлена мікророзшаруванням розплаву поблизу поверхні кристала. Формування поверхні кристала в полікраплинному розплаві, можливо, здійснюється через краплю рідкої фази особливого складу, що знаходиться поблизу поверхні кристала , який зростає. Умовно процес росту кристала в мікронеоднорідному Al-Si розплаві можна розділити на чотири основні стадії: а) масоперенесення атомів Si у розплаві; б) адсорбція атомів Si на границі розплав - крапля; в) дифузія атомів Si через краплю до поверхні кристала; г) приєднання атомів до поверхні кристала.

10.Результати роботи можуть бути використані при розробці технологічних прийомів отримання виливків із заевтектичних силумінів з однорідною структурою, високими і стабільними експлуатаційними характеристиками.

Дефектом литих виробів із висококремністих Al-Si сплавів є неоднорідність структури виливків, яка обумовлена гетерогенною будовою розплаву. Існуючі методи гомогенізації розплаву неефективні. Для отримання однорідної структури виливка запропоновано використовувати явище монотектичного розшарування розплаву. При модифікуванні заевтектичних силумінів гідроортофосфатами лужних металів реалізується монотектичне розшарування розплаву на два шари рідких фаз Ж1 і Ж2 , що не змішуються. Після монотектичного розшарування силумінів висококремністий гомогенний розплав Ж2, який містить 26%Si, знаходиться у верхній частині тигля. При кристалізації гомогенного розплаву Ж2 формується рівномірна структура виливка. Використання для лиття розплаву Ж2 дозволяє одержувати литі вироби з однорідною структурою, високими і стабільними експлуатаційними характеристиками в різних перетинах виливка.

11.Результати роботи використані на ВАТ "Мотор Сiч" при розробці експериментального заевтектичного поршневого сплаву АК26МНе, технологічних інструкцій його приготування та лиття, а також методики металографічного контролю якості виливків "Поршень". Приготування сплаву АК26МНе засновано на використанні явища монотектичного розшарування розплаву. Дослідно-промислове випробування в умовах ВАТ "Мотор Сiч" показало, що експериментальний поршневий сплав АК26МНе, модифікований NaH2PO4, має однорідну структуру, високі і стабільні механічні характеристики при кімнатній і підвищених температурах. Межа міцності: sу=192МПа, твердість: НВ=106 кг/мм2. Межа міцності при 200оС: s =186МПа і при 300оС: s =138МПа. Межа тривалої міцності при 100 годинах навантаження і 200оС: s =126МПа, при 100 годинах і 300оС: s =61МПа. Структура експериментального сплаву відповідає вимогам, до структури силумінів фірми "Mahle" - головного світового виробника поршневих сплавів.

12.Результати роботи використані при модифікуванні евтектичних і доевтектичних силумінів, які містять менше 13%Si. Дослідно-промислове випробування в умовах ВАТ "Мотор Сiч" показало, що при модифікуванні NaH2PO4 промислових евтектичних (АК12) і доевтектичних силумінів (АК5М, АК7ч), які застосовуються для лиття під тиском, підвищується якість поверхні виливків і знижується кількість підкіркових міхурів. Модифікування NaH2PO4 евтектичного силуміну АК12 супроводжується підвищенням міцності сплаву (sв) на 10% і пластичності (y) на 50%.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Таран Ю.М., Куцова В.З., Вейнов А.М. Будова і генезис кремнієвих сферолітів, що формуються в заевтектичних силумінах // Доповіді НАН України. - 2000.- №11.- С.147-151.

2. Таран Ю.Н., Куцова В.З., Вейнов А.М. Изотопный состав и формы роста кристаллов твердого раствора на основе Si в силуминах // Теория и практика металлургии.-2001.- №5.- С.61-67.

3. Таран Ю.Н., Куцова В.З., Вейнов А.М. Закономерности монотектического структурообразования силуминов // Теория и практика металлургии.-2000.- №5.- С.38-41.

4. Таран Ю.Н., Куцова В.З., Вейнов А.М. Закономерности формирования радиально - лучистых и кольцевых сферолитов в силуминах // Теория и практика металлургии.-2000.- №3.- С.40-44.

5. Таран Ю.Н., Куцова В.З., Вейнов А.М. Полімерна аморфно - кристалічна модель сферолітної кристалізації заевтектичних силумінів // Металознавство та обробка металів. - 2001. - №1. - С.30-34.

6. Вейнов А.М. Дослідження первинних кристалів в заевтектичних силумінах, модифікованих NaH2PO4, методами виміру мікротвердості і рентгеноструктурного аналізу // Теория и практика металлургии.-1999.- №6.- С.44-46.

7. Вейнов А.М., Великоцький Р.Є. Дифузійно - краплинна модель росту первинних кристалів у заевтектичних силумінах // Металознавство та обробка металів. - 1998. - №4. - С.9-13.

8. Вейнов А.М. Закономірності монотектичного перетворення у Al-Si сплавах // Металознавство та обробка металів. - 2000. - №4. - С.30-33.

9. Вейнов А.М., Криммель А.Г., Великоцький Р.Є. Закономірності формування і морфологічний аналіз кулястих первинних кристалів b-Si твердого розчину в заевтектичних силумінах // Металознавство та обробка металів. - 1999. - №3. - С.67-71.

10. Вейнов А.М. Закономерности формирования структуры заэвтектических силуминов // Процессы литья.-1998.- №1.- С.58-61.

11. Вейнов А.М., Великоцкий Р.Е. Закономерности монотектического превращения в системе Al-Si // Процессы литья.-1999.- №4.- С.20-23.

12. Вейнов А.М. Особенности изменения содержания кислорода и водорода в силуминах метатектического состава // Процессы литья.-2000.- №2.- С.31-34.

13. Вейнов А.М., Великоцкий Р.Е. Комплексное модифицирование заэвтектических силуминов // Процессы литья.-1999.- №2.- С.29-31.

14. Вейнов А.М. Структура и свойства кристаллов в заэвтектических силуминах, модифицированных NaH2PO4 // Процессы литья.- 2001.- №1.-С.48-51.

15. Вейнов А.М. Влияние модифицирования силуминов гидроортофосфатом натрия на эксплуатационные характеристики отливок // Металлургическая и горно-рудная промышленность. - 2000. - №5. - С.43-44.

16. Вейнов А.М. Закономерности монотектического структурообразования в сплавах Al-Si и Al-Bi // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні.-1999. - №1. - С.13-16.

17. Вейнов А.М. Закономерности формирования первичных кристаллов b-Si твердого раствора в заэвтектических Al-Si сплавах // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. - 1999. - №2. - С.13-16.

18. Вейнов А.М. Закономірності монотектичного структуроутворення у заевтектичних силумінах // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. - 2000. - №2. - С.7-9.

19. Вейнов А.М. Фазовые превращения при микровдавливании в b-Si первичных кристаллах, формирующихся в заэвтектических Al-Si сплавах. // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. - 2000. - №1. - С.11-16.

20. Вейнов А.М. Закономерности формирования сферических кристаллов в силуминах и полимерах // Металлургия: Cб. научн. тр. - Запорожье: ЗГИА, 1999.- Вып.2. - С. 71-75.

21. Вейнов А.М. Особенности микроликвации и монотектического расслоения Al-Si расплавов // Металлургия: Cб. научн. тр. - Запорожье: ЗГИА, 2001.- Вып.4. - С. 60-63.

22. Вейнов А.М. Дослідження мікротвердості первинних кристалів в заевтектичних силумінах, модифікованих Na2HPO4 // Металлургия: Cб. научн. тр. - Запорожье: ЗГИА, 2000. - Вып.2. - С. 71-75.

23. Вейнов А.М. Дослідження мікротвердості первинних кристалів в заевтектичних силумінах, модифікованих NaH2PO4 та Na2HPO4 // Металознавство та термічна обробка металів: Науков. інформ. журн./ПДАБтаА. - Дніпропетровськ. - 1999. - №4. - С.39-46.

24. Вейнов А.М. Рентгеноструктурні дослідження заевтектичних силумінів, модифікованих гідроортофосфатами лужних металів // Металознавство та термічна обробка металів: Науков. інформ. журн./ПДАБтаА. - Дніпропетровськ. - 1998. - №2. - С.59-64.

25. Вейнов А.М., Коцюбинская Н.В. Особенности формирования структуры заэвтектических силуминов, модифицированных KBr // Металознавство та термічна обробка металів: Науков. інформ. журн./ ПДАБтаА. - Дніпропетровськ. - 2000. - №1. - С.41-46.

26. Вейнов А.М. Закономерности подликвидусной ликвации в заевтектических силуминах // Строительство. Материаловедение. Машиностроение: Cб. научн. тр. - Днепропетровск: ПГАСиА, Gaudeamus, 2000.- Вып.11. - С. 101-106.

27. Вейнов А.М. Разработка и опробование высокоэффективной лигатуры для модифицирования силуминов // Cб. научн. тр. - Алчевск: ДГМИ, 1999.- Вып.9. - С. 159-162.

28. Вейнов А.М. Особенности растворения алюминия в кремнии // Cб. научн. тр. - Алчевск: ДГМИ, 1999.- Вып.10. - С. 79-101.

АНОТАЦІЇ

Вейнов А.М. Монотектическое превращение и управление структурой и свойствами сплавов на основе Al и Si. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.16.01 - металловедение и термическая обработка металлов. Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2002.

В диссертации впервые встановлено явление монотектического превращения в силуминах. Работа посвящена исследованию закономерностей монотектического структурообразования в заэвтектических силуминах, модифицированных NaH2PO4. В диссертации развивается новое направление металловедения сплавов на основе Al и Si - монотектическая кристаллизация силуминов.

Заэвтектические Al-Si сплавы широко применяются в различных отраслях техники для изготовления изделий методом литья и порошковой металлургии. Одним из наиболее ответственных изделий из заэвтектических силуминов является поршень двигателя внутреннего сгорания. Эксплуатационные характеристики литых изделий в значительной степени определяются однородностью структуры и стабильностью свойств в различных сечениях отливки. Недостатком литых изделий из заэвтектических силуминов является неоднородность структуры в различных сечениях отливки.

Установлено, что в области твердо - жидкого состояния в заэвтектических Al-Si сплавах, содержащих от 37%Si до 76%Si, в температурном интервале 860°С...577°С реализуется микрорасслоение Al-Si расплава на жидкие фазы:Ж1 и Ж2 . Жидкость Ж1 обогащена атомами алюминия, а Ж2 отличается повышенным содержанием атомов кремния.

Показано, что в заэвтектических Al-Si сплавах, модифицированных NaH2PO4, Na2HPO4 и KH2PO4 в количестве более 0,1%, реализуется монотектическое превращение. Определены концентрационные и температурные интервалы монотектического равновесия (Ж2ЫЖ1+g-Si) в силуминах, модифицированных NaH2PO4. Построен политермический разрез Al-Si-3%NaH2PO4 системы Al-Si-NaH2PO4. Монотектическое расслоение расплава на Ж1 и Ж2 реализуется в домонотектических сплавах, содержащих 12,5%Si-26%Si. При кристаллизации домонотектических сплавов, содержащих 12,5%Si-26%Si, формируются две структурные зоны слитка. Верхняя высококремнистая зона содержит 26%Si. Нижняя зона - 12,5%Si. Монотектическое превращение (Ж2ЫЖ1+g-Si) реализуется в верхней высококремнистой области слитка и сопровождается формированием монотектических кристаллов сферической формы.

Установлено, что содержание кислорода в монотектических сферолитах ниже, чем в пластинчатых первичных кристаллах. Изотопный состав монотектических, эвтектических и первичных кристаллов твердого раствора на основе Si в силуминах существенно отличается от природного изотопного состава Si. Минимальное содержание тяжелого изотопа 30Si имеют монотектические сферолиты. Уровень микронапряжений в монотектических сферических кристаллах ниже, чем в первичных кристаллах. Низкий уровень микронапряжений обусловлен стоком напряжений из кристаллических сегментов в неупорядоченные слои. Присутствие неупорядоченных слоев, низкое содержание растворенного кислорода и тяжелых изотопов 30Si ослабляют химическую связь в кристалле. Поэтому при росте в переохлажденном расплаве зародыш монотектического кристалла, удлиняясь, расщепляется в виде веера. Уточнен механизм формирования радиально - лучистых и кольцевых сферических кристаллов в силуминах. Формирование радиально - лучистого сферолита является следствием расщепления в процессе роста пластиноподобного дендрита твердого раствора на основе Si. Формирование кристаллических ламелей по механизму винтовой дислокации является основным механизмом роста сферолитов.

Уточнен механизм роста кристаллов из микронеоднородного Al-Si расплава. Формирование кристаллов из поликапельного Al-Si расплава осуществляется по РКК(расплав-капля-кристалл) - механизму роста. Рост кристалла в микронеоднородном расплаве осуществляется через каплю жидкой фазы особого состава, которая находится вблизи поверхности кристалла.

Результаты работы могут быть использованы при разработке новых и совершенствовании существующих технологий получения отливок из силуминов. Использование для литья изделий высококремнистого расплава Ж2 позволяет получать однородную структуру отливки. Опытно-промышленное опробование показало, что экспериментальный заэвтектический поршневой сплав АК26МНе, модифицированный NaH2PO4, имеет высокие и стабильные механические характеристики при комнатной и повышенных температурах. Структура сплава соответствует требованиям, предъявляемым к микроструктуре силуминов фирмой "Mahle" - ведущим производителем поршневых заэвтектических Al-Si сплавов.

При модифицировании NaH2PO4 промышленных эвтектических (АК12) и доэвтектических силуминов (АК5М, АК7ч) повышается качество поверхности отливок и снижается количество подкорковых пузырей. Модифицирование NaH2PO4 эвтектического силумина АК12 сопровождается повышением прочности сплава (sв) на 10% и пластичности (y) на 50%.

Ключевые слова: фазовые превращения, монотектика, силумин, кристаллизация.

Weinov А.М. Monotectic Transformation and Management of Structure and Properties of Alloys on the Basis of Al and Si. - Manuscript.

Thesis for doctor`s degree by speciality 05.16.01 - Physical metallurgy and heat thermal processing of metals. National Metallurgical Academy of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2002.

In the dissertation for the first time have determined monotectic transformation. The dissertation is devoted to research of laws of a monotectic structure formation in hypereutectic silumins, modified NaH2PO4. In the dissertation a new direction Physical metallurgy of alloys on a basis Al and Si - monotectic crystallization of silumins was developed. Сoncentration-temperature intervals of monotectic transformation, realized in hypereutectic silumins modified 3%NaH2PO4, are established. A polythermal cut Al-Si-3%NaH2PO4 is constructed. Laws of a monotectic structure formation in Al-Si alloys, modified NaH2PO4, and also in Al-Bi, Al-Bi-Si and Al-Si-Pb alloys are established. Сoncentration-temperature intervals of liquid immiscibility of a melt in binary hypereutectic silumins are determined. Properties, structure and mechanism of growth of spherical monotectic crystals g - firm solution on a basis Si are established. The mechanism of formation of crystals from micronon-uniform Al-Si of a melt is established. New technologies of reception of castings from silumins, phenomena based on use of a monotectic stratification of a melt are offered.Results industrial testing of modifying of silumins NaH2PO4 are showed.

Key words: phase transformations, monotectic, silumin, crystallization.

Вейнов А.М. Монотектичне перетворення і управління структурою та властивостями сплавів на основі Al i Si. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.16.01 - металознавство та термічна обробка металів. Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2002.

В дисертації вперше встановлено явище монотектичного перетворення в силумінах. Робота присвячена дослідженню закономірностей монотектичного структуроутворення в заевтектичних силумінах, модифікованих NaH2PO4. У дисертації розвивається новий напрямок металознавства сплавів на основі Al і Si - монотектична кристалізація силумінів. Встановлені концентраційно - температурні інтервали монотектичного перетворення, що реалізується в заевтектичних силумінах, модифікованих 3%NaH2PO4. Побудовано політермічний розріз Al-Si-3%NaH2PO4. Встановлені закономірності монотектичного структуроутворення в Al-Si сплавах, модифікованих NaH2PO4, а також у Al-Bi, Al-Bi-Si і Al-Si-Pb сплавах. Встановлені температурно - концентраційні інтервали підліквідусної ліквації розплаву в подвійних заевтектичних силумінах. Встановлені властивості, структура й механізм росту сферичних монотектичних кристалів g-Si твердого розчину. Встановлено механізм формування кристалів із мікронеоднорідного Al-Si розплаву. Розроблені технологічні прийоми отримання виливків з висококремністих силумінів, які засновані на використанні явища монотектичного розшарування розплаву. Наведені результати дослідно-промислового випробування модифікування силумінів NaH2PO4.

Ключові слова: фазові перетворення, монотектика, силумін, кристалізація.

Размещено на Allbest.ru