Влияние температуры нагрева расплава на механические и литейные свойства алюминиевого сплава (АК12)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние температуры нагрева расплава на механические и литейные свойства алюминиевого сплава (АК12)

УДК 621.74.041

Щербинин В.А., студент,

Россия, 105005, г. Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана,

кафедра «Литейные технологии»

Научный руководитель: С.Л. Тимченко,

кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «физика» (ФН-4)

Россия, 105005, г. Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана,

vowa.scherbinin2014@yandex.ru



Ключевые слова: сплав (alloy), эвтектика (eutecticum), жидкотекучесть (flowability), твердость (hardness), прочность (lasting quality), ударная вязкость (impact hardness), дендритная ликвация (dendrific segregation), зональная ликвация (zonal segregation), трещина (clinc), песчаные раковины (sand hole), газовые раковины (blow hole).

Аннотация: Автор проводит исследование влияния температуры нагрева расплава на механические и литейные свойства сплава АК12. В работе описывается эксперимент на выявления химического состава данного сплава (спектральный химический анализ), который показывает весомый процент содержания кремния в сплаве (10-12 %). Автор детально рассчитывает литниковую систему для изготовления проб из сплава АК12 и излагает дальнейшее проведение экспериментов на удар и растяжение, которые также представлены в статье, полученных заготовок. Затрагивается такой вопрос, как изменение жидкотекучести сплава при различной температуре перегрева. Автор убедительно доказывает наличие дендритных зон в микроструктуре силумина, а также их уменьшения с увеличением температуры заливки.



Введение

Несмотря на то, что литейные технологии уже давно используются для получения изделий, идея создания новых методов литья остается актуальной. Также актуальным является использование более широкого спектра литейных сплавов с целью получения качественных изделий.

Современные технологии, включающие литейный процесс, подразумевает не только получение необходимой конфигурации изделия, но и возможность контроля механических и литейных свойств получившихся отливок. Это дает огромный скачок в различных сферах деятельности общества (от ювелирного производства до военной промышленности). Логичным является вывод, что изучение механических и литейных свойств изделия необходимо для технологического прогресса.

Изучение свойств сплавов является довольно распространенной темой в научных исследованиях. Например, в статье [1] экспериментально изучалось влияние электрического тока плотностью j ~ (10⁵ - 10⁷) А/м² на процесс кристаллизации алюминиевого сплава (АК12) при литье в песчаные формы и показана возможность управления процессом кристаллизации с помощью внешнего электрического воздействия.

В статье [2] экспериментально установлена зависимость механических и литейных свойств алюминиевого сплава от термовременной обработки (нагрев расплава до критической температуры), при которой начинается распад микро- неоднородностей в расплаве, унаследованных от шихты и оптимальную изотермическую выдержку, позволяющую значительно повысить уровень однородности расплава. Кристаллизация расплава из состояния, близкого к гомогенному, способствует получению мелкозернистой структуры и повышенным эксплуатационным свойствам.

В настоящей работе была поставлена задача изучения влияния перегрева расплава

АК12 на его литейные и механические свойства.

Сплавы системы Al-Si известны под общим названием силумины. Силумины характеризуются хорошими литейными свойствами и герметичностью, средней прочностью и достаточной коррозионной стойкостью. Они применяются для изготовления сложных отливок.

АК12 - эвтектический сплав, матричным компонентом которого является алюминий, содержит 12 % кремния [3].

Плотность силуминовых сплавов находится в диапазоне от 2,5 до 2,94 г/см³. По сравнению с алюминием силуминовые сплавы обладают большей прочностью и износостойкостью.

Силумины устойчивы к коррозии во влажной атмосфере и морской воде, в слабокислой и щелочной среде.



Экспериментальная часть

С целью изучения влияния температуры перегрева расплава на механические и литейные свойства были изготовлены образцы из алюминиевого сплава АК12, полученные при следующих температурах перегрева расплава: 800, 850 и 925 С°. Для набора статистики были изготовлены по четыре образца при одной заливке. Заливка расплава проводилась в песчано-глинистые и кокильные формы.

Для подтверждения химического состава используемого сплава были изготовлены шлифы и проведен его спектральный химический анализ. На снимке (рис.1) видны характерные следы от воздействия лазера, используемого для получения паров сплава (марка: LAES MATRIX). Впоследствии был проведен анализ спектра этих паров.

Рис. 1. Шлифы для химического анализа

Атомы каждого химического элемента имеют строго определённые резонансные частоты, в результате чего именно на этих частотах они излучают или поглощают свет. Это приводит к тому, что в спектроскопе на спектрах видны линии (тёмные или светлые) в определённых местах, характерных для каждого вещества. Интенсивность линий зависит от количества вещества и его состояния. В количественном спектральном анализе определяют содержание исследуемого вещества по относительной или абсолютной интенсивностям линий или полос в спектрах.

Результаты спектрального анализа образцов, заливка которых осуществлена при температуре 925 С° представлены в таблице 1, а при температуре заливки 800 С° - в таблице 2.

Таблица 1. Процентное содержание химических элементов в образце при температуре заливки 925 С°

Образец	Cu	Fe	Mg	Mn	Ni	Si	Ti	Zn	Al
1 образец(1)	0,23	0,45	0,08	0,15	0,03	10,7	0,03	0,18	остальное
1 образец(2)	0,26	0,58	0,09	0,20	0,06	10,8	0,04	0,20	остальное
1 образец(3)	0,23	0,49	0,09	0,17	0,05	11,1	0,03	0,19	остальное
Среднее арифметическое	0,24	0,51	0,09	0,17	0,04	10,9	0,03	0,19	Основной

Таблица 2. Процентное содержание химических элементов в образце при температуре заливки 800 С°

Образец	Cu	Fe	Mg	Mn	Ni	Si	Ti	Zn	Al
2 образец(1)	0,22	0,45	0,08	0,15	0,03	10,9	0,03	0,22	остальное
2 образец(2)	0,18	0,38	0,09	0,14	0,02	10,9	0,04	0,23	остальное
2 образец(3)	0,21	0,51	0,10	0,17	0,07	11,5	0,03	0,24	остальное
Среднее арифметическое	0,20	0,45	0,09	0,15	0,04	11,1	0,03	0,23	Основной

Для объяснения результатов химического анализа используемого сплава воспользуемся фазовой диаграммой состояния силуминовых сплавов [4], представленной на рис. 2.



Рис. 2. Диаграмма состояния Al-Si

Оптимальными литейными свойствами обладают сплавы с минимальной температурой плавления и минимальным температурным интервалом кристаллизации, содержащие 12-13 % Si. Обычный силумин по структуре является заэвтектическим сплавом (процент содержания кремния в сплаве превышает 12 %). Структура такого сплава состоит из игольчатой грубой эвтектики (б+Si) и первичных кристаллов кремния (рис. 3а). Кремний при кристаллизации эвтектики выделяется в виде грубых хрупких кристаллов игольчатой формы, которые играют роль внутренних концентраторов напряжений. Такой сплав обладает низкими механическими свойствами: у_b= 120 МПа; д= 2 %. Для повышения механических свойств, силумины модифицируют натрием (0,05 -0,08 %) путем присадки к расплаву смеси солей 67 % NaF и 33 % NaCl [5].

Подтверждением этого является эксперимент «Анализ структуры шлифов», описанный ниже. При детальном изучении структуры шлифа АК12, полученной в ходе работы, можно наблюдать игольчатую грубую эвтектику (б+Si) и кристаллы кремния Si, которые описаны выше. На рисунке 3б показана структура шлифа АК12 при температуре заливки 800 С°.



Рис.3. Микроструктура силумина: а) заэвтектический сплав; б) структура шлифа АК12 при температуре заливки 800 С°(увеличение x500)

Изменения в структуре приводят к повышению механических свойств: у_b =200 МПа; д = 12 %. Одновременно улучшаются и литейные свойства сплавов (возрастает жидкотекучесть, повышается плотность отливок и т.д.).

Из процентного содержания кремния в выделившихся парах можно сделать вывод что экспериментальный сплав является доэвтектическим, но по своим свойствам близким к эвтектическому.

В работе проводились исследования жидкотекучести сплава и механических свойств образцов при различных температурах заливки. Ниже приведен расчет литниково-питающей системы для получения отливок.

Расчет литниково-питающей системы образцов для испытания на удар.

На рис. 4 показана схема отливки с припуском. Данная отливка является заготовкой для изготовления стандартной пробы на удар [6]. Схема литниково-питающей системы показана на рис. 5. Способ изготовления отливок - литье в песчаные формы.

Рис. 4. Схема отливки

Рис. 5. Схема литниково-питающей системы

Расчет литниковой системы после выбора ее конструкции сводится к определению оптимальной продолжительности заливки формы и площади поперечного сечения всех элементов системы. Длину каждого литникового канала принимают конструктивно, т. е. без расчета, исходя из размещения элементов литниковой системы в габаритах формы.

1. Расчет времени заполнения формы.

Время заполнения формы зависит от литейно-технологических свойств сплава, температуры заливки, теплоаккумулирующей способности материала формы, размеров и особенностей конструкции отливки. Законы неразрывности струи не позволяют учесть все эти параметры и поэтому теоретически полученная зависимость определяет время заполнения формы приближенно.

Чаще всего для вычисления времени заливки используют формулу Г.М. Дубицкого, К.А. Соболева [7]:

, (1)

где ф - время заполнения, с; S - эмпирический коэффициент; д - преобладающая толщина стенки отливки, мм; G - металлоемкость отливки, кг

Эмпирический коэффициент, согласно [7], равен S=1,6.

Тогда

Металлоемкость отливки определяют, как сумму масс отливки, литников и прибылей, если они заполняются через общую с отливкой литниковую систему. В этом случае удобно пользоваться следующим выражением [7]:

(2)

где G_O, G_Л, G_П - соответственно массы отливки, литников и прибылей, кг;

Так как прибыли нет, G_П =0.

Получим:

2. Определим скорость заливки [7].

, (3)

где ф - время заполнения отливки с прибылью, c; Q - высота отливки с прибылью, заполняемой из общей литниковой системы, мм.



3. Определим суммарную площадь сечения питателей.

Для определения суммарной площади сечения питателей удобно использовать формулу Б. Ованна [7]:

где м - коэффициент расхода литниковой системы; г - плотность жидкого алюминия г/см³; g - ускорение свободного падения, 980 см/с²; H_p - расчетный напор металла, см.

Определим расчетный напор металла в опоке, схема которой изображена на рис.6 [5];

(5)

где H - первоначальный напор, см; Р - расстояние от самой верхней точки отливки до уровня подвода, см; C - высота отливки по положению при заливке, см.

При выбранной схеме заливки, используемой следует считать, что P=С.

Рис. 6. Схема опоки

4. Определение площади поперечного сечения литникового хода, стояка и питателя [7].

Используя расчеты по (1)-(3), рассчитали площадь питателя F_пит =0,98 см², затем из соотношения (6) получим: F_л.х =1,176 см²; F_c =1,64 см².

Расчет литниково-питающей системы образцов, предназначенных для испытания на растяжение.

На рис. 7 показана схема отливки с припуском. Данная отливка является заготовкой для изготовления пробы на растяжение [8]. Схема литниково-питающей системы показана на рис. 8. Способ изготовления отливок - литье в песчаные формы.

Рис. 7. Размеры отливки (с припуском)

Рис. 8. Схема литниковой системы

Расчет проведен в той же последовательности, что и предыдущий.

Получены следующие результаты:

F_л.х =1,54 см²; F_c =2,13 см²; F_пит =1,27 см².

В итоге были получены величины площадей поперечных сечений всех элементов литниковой системы для образцов на удар и на растяжение.

Описания процесса заливки и обработки заготовок.

Согласно расчетам была изготовлена оснастка для получения литейных форм. Модель литниковой системы для испытаний на удар выточена из деревянных брусков с учетом расчетных размеров.

Формы (песчано-глинистые) для заливки гагаринских образцов (испытания на растяжение) формовались из готовых стандартных моделей.

Плавка металла АК12 производилась в печи индукционного нагрева (ТВЧ модель: SP-15) при нагреве его до различной температуры (рис. 9).

Были выбраны следующие температуры заливки расплава в форму: 925 С°, 850 С°, 800°С°.

Рис. 9. Плавка металла АК12 в печи индукционного нагрева

Рис. 10. Заливка в формы

алюминиевый сплав дендритный силумин

Контроль температуры осуществлялся с помощью хромель-алюмелевой термопары. Показания термопары записывались с помощью цифрового мультиметра (PeakTech 2010 DMM). Далее расплав заливали в готовые формы (рис. 10) при указанных температурах. Полученные отливки были подвергнуты дальнейшей механической обработке на фрезировочном станке. Образцы на разрыв обрабатывали точением (с помощью резцов) на токарном станке с ЧПУ 16К20Т1, образцы на удар обрабатывали концевой фрезой на станке 2А430.

Измерение жидкотекучести сплава АК12 при различных температурах.

В данной работе жидкотекучесть исследовалось с помощью кокиля (проба Самарина-Нехендзи) (рис. 11). Исследовались результаты заливок при различных температурах нагрева жидкого металла с помощью печи сопротивления. Размер зерна вблизи поверхности отливки в случае литья в кокиль и в песчанно-глинястые формы будет значительно различаться. В кокиле величина зерна больше. Это объясняется разной скоростью остывания отливки при которой происходит формирование зерна. На рис. 12 показаны части металлической пробы на жидкотекучесть при различных температурах заливки.

По рисунку 12 можно определить различие жидкотекучести при различных температурах заливки. При 925 С° она высшая, так как замечается характерная плоская «шапка», что свидетельствует о уменьшение поверхностного натяжения с ростом температуры. При 850 С° хорошо видна более выпуклая поверхность, это свидетельствует о большем поверхностном натяжении по сравнению с первой пробой.

Рис. 11. Форма для исследование на Жидкотекучесть (проба Самарина-Нехендзи)

Рис. 12. Концы проб на жидкотекучесть при разных температурах

Эксперимент на растяжение.

Испытание на растяжени проводилось на станке марки Zwick/Roel Z100. Заготовку растягивали до полного разрыва. Проведен анализ величин механических характеристик данного сплава. Испытанию подверглись 5 образцов: 3 при температуре 850 С°, и 2 при 925 С°.

Полученные данные показаны в таблице 3.

Таблица 3. Анализ величин механических характеристик сплава АК12 при перегреве 925 С°

Образец	у0,2	уВ	д	ш	Примечание
XIII №1 (850)	МПа	%	Разрушение за пределами расчетной длины
	100,0	163	менее 1 %
XIII №2 (850)	103,4	190
XIII №3 (850)	100,7	163
IX №2(925)	93,5	164	1,6	2,9

где у_0,2 - условный предел текучести, который соответствует напряжению, при котором остаточная деформация составляют 0,2 % от длины испытываемого образца; у_в - предел прочности; д - удлинение при разрыве; ш - относительное сужение.

На рис. 13 представленна обобщенная диаграмма растяжения заготовок, результаты испытаний которых занесены в таблицу 3. По оси абсцисс отложено деформация загатовки в миллиметрах, по оси ординат усилие растяжения в мегапаскалях.



Рис. 13. Диаграмма растяжения заготовки IX №2(925)

Вывод.

При квалифицированной формовке предел прочности сплава при 850 С° существенно больше чем при 925 С°. Относительное сужение и удлинение при разрыве обратно пропорционально температуре заливки.

Это объясняется тем, что разность температур заливки сплава и охлаждающей среды дает разный градиент температуры, который влияет на формирование структуры сплава. При температуре перегрева 925 С° тепловая анергия сплава, залитого в полость литейной формы, частично передается формовочной смеси, которая при последующем затвердевании слитка играет роль «аккумулятора». Таким образом, опока с помощью полученной энергии увеличивает время кристаллизации слитка, что способствует формированию зерен с большим размером ( в сравнении с зернами, полученными при кристаллизации слитка с температурой перегрева 850 С°), способствует образованию дендритной и зональной ликвации.

По литературным данным [9] для данного сплава имеются следующие результаты: у_в =200 МПа, у _0.2 =140 МПа, д =5 %. Разница в экспериментальных и теоритических данных связано с образованием дефектов отливки (трещины, песчаные и газовые раковины).

Эксперимент на удар.

Для проведения эксперимента использовалась установка walter+bai ag модели PH450. Схема испытания показана на рис. 14.

Суть эксперимента заключается в том, что молот, закрепленный в установке и обладающий некоторой потенциальной энергией, разрушает заготовку, размеры которой приняты согласно [6]. Одновременно происходит измерение энергии разрушения отливки с последующим нахождением ударной вязкости сплава АК12. Данные эксперимента приведены в таблице 4. Испытанию подверглись 5 образцов: 2 при температуре заливки 800 С° и 3 при 850 С°. Ударная вязкость находилась в соответствии с формулой 6.

где КС- ударная вязкость, Дж/см²; U - энергия, необходимая на разрушение заготовки, Дж;

S - площадь поперечного сечения заготовки в месте надреза, см²;

Рис. 14. Схема испытания на удар

Таблица 4. Значения ударной вязкости ,полученной в ходе эксперимента, при температуре заливки 800 С° и 850 С°

	Ударная вязкость Дж/см2
	1 образец	2 образец	3 образец
800 С°	3,04	2,89	-
850 С°	1,35	1,52	1,43

По полученным данным можно сделать вывод: ударная вязкость больше при меньшей температуры заливки.

С точки зрения литейных технологий, согласно [10], при заливке в формы возникает внутреннее напряжение. При повышении температуры заливки напряжения в отливке становятся больше, а из-за этого и ударная вязкость падает. Так же причиной понижения ударной вязкости при повышении температуры заливки является тот факт, что образуется большее количество пор в сердцевине отливки.

Анализ структуры шлифов.

Форма растущих в расплаве кристаллов зависит от степени переохлаждения жидкости, направления теплоотвода, содержания примесей в стали и других параметров. На рис. 15 схематически представлены основные структурные зоны, которые могут встречаться в непрерывно-литом слитке. Кристаллы, образующиеся в процессе затвердевания металла, могут иметь различную форму в зависимости от скорости охлаждения, характера и количества примесей. Чаще в процессе кристаллизации образуются разветвленные (древовидные) кристаллы, получившие название дендритов.

При затвердевании слитка кристаллизация начинается у поверхности более холодной формы и происходит вначале преимущественно в примыкающем к поверхности тонком слое сильно переохлажденной жидкости. Вследствие большой скорости охлаждения это приводит к образованию на поверхности слитка очень узкой зоны 1 сравнительно мелких равноосных зерен. Далее образуется зона дендритов (2) направление распространения которой совпадает с направлением отвода тепла. Зона 3 кристаллизуется в последнюю очередь и имеет хрупкую структуру с содержанием большого количества пор. Зона 4 образуется вследствие усадки (уменьшения объема).

Рис. 15. Структурные зоны



Анализировались структуры шлифов сплава АК12 при различных температурах заливки (850 С°, 900 С° и 925 С°). На рис. 16 -18 изображена микроструктура данного сплава.

Рис. 16. Структура шлифа (800 С°): а) увеличение (х200); б) увеличение (х500)

Рис. 17. Структура шлифа (850 С°): а)увеличение (х200); б)увеличение (х500)

Рис18. Структура шлифа (925 С°): а)увеличение (х200); б)увеличение (х500)

Так как скорость отвода тепла во всех данных случаях кристализвции одинакова, то вероятность зарождения дендритных зерен зависит от разницы температуры формы и температуры заливки, то есть от величины первоначального переохлаждения. На рис. 19 представлена зависимость скорости роста кристаллов (с. к.) и скорости зарождени центров кристализации от (ч. ц.) от величины переохлаждения [11].

Рис. 19. Зависимость ч.ц. и с.к. от велечины переохлаждения

Вывод: Из рис. 16-18 видно уменьшение количества дендритных зон с увелечением температуры заливки, а значит литейные и механические свойства улучшаются. Также видно, что эвтектика является более дисперсной при Т_зал = 850 С°.



Заключение

В данной работе были представлены эксперименты с литейным сплавом АК12, исследовано влияние температуры нагрева расплава на механические и литейные сплавы.

Проведен спектральный анализ данного сплава. Результаты этого анализа образцов, заливка которых осуществлена при температуре 925 С° представлены в таблице 1, а при температуре заливки 800 С° - в таблице 2.

Микроструктура шлифа АК12 показала наличие грубой, игольчатой эвтектики (б+Si), и кристаллы кремния Si (рис.3).

По расчетам литниково-питающей системы были отлиты образцы при различной температуры заливки. По результатам дальнейших экспериментов на растяжение и на удар выявлены предел прочности, условный предел текучести (у_в, у_0,2) и ударная вязкость (КС). Относительное сужение и удлинение при разрыве обратно пропорционально температуре. При повышении температуры заливки напряжения в отливке становятся больше, а из-за этого и ударная вязкость падает.

Также из эксперимента на жидкотекучесть видно, что с ростом температуры заливки сплава поверхностное натяжение уменьшается, что свидетельствует об увеличении жидкотекучести.



Список литературы

1. Тимченко С.Л. Исследование кристаллизации сплава под действием электрического тока // Расплавы. 2011. №4. С. 53-61.

2. Деев В.Б., Морин С.В., Селянин И.Ф., Хамитов Р.М.. Перегрев расплавов литейных алюминиевых сплавов // Ползуновский альманах. 2004.№4. С. 23-24.

3. ГОСТ 1583-93. Cплавы алюминиевые литейные. Технические условия. Введ. 1993-10-04. М.: Издательство стандартов, 1996. 3с.

4. Мельников В.П., Давыдов С.В. Лабораторная работа. Изучение структуры и свойств цветных сплавов // «Технология металлов и металловедение» БГТУ. 2008. № 3. 14с.

5. Мельников В.П., Давыдов С.В. Лабораторная работа. Изучение структуры и свойств цветных сплавов // «Технология металлов и металловедение» БГТУ. 2008. № 3. С. 3-5.

6. ГОСТ 9454-78. Металлы. Метод испытания на ударный изгибпри пониженных, комнатной и повышенной температурах. Введ. 1979-01-01. М.: Издательство стандартов, 1978. С. 3-4.

7. Вирт А. Э., Лаврентьев А. М.. Расчет литниковых систем стальных отливок // 2012. С. 7-11.

8. ГОСТ 1497-84. Металлы. Метод испытаний на растяжение. Введ 86-01-01. М.: Издательство стандартов, 1984. С. 21-26.

9. Лецик В.И. Литьё цветных металлов в металлические формы // 2003.

10. Гуляев А.П. Металловедение // Металлургия. 1986. 43с.

11. Коротких М. Т. Технология конструкционных материалов и материаловедение: учебное пособие // Алюминий и сплавы на его основе. 2004. 23с.

Размещено на Allbest.ru

...