Влияние скорости охлаждения при кристаллизации сплава «медь — фосфор» на его способность измельчать первичный кремний в заэвтектических силуминах



В статье приводятся проведенные НИТУ МИСиС исследования по определению влияния модифицирующей обработки лигатурами медь-фосфор на дисперсность кристаллов первичного кремния. Применение таких лигатур в технологии получения коммерческих заэвтектических силуминов позволит существенно повысить характеристики последних и даст перспективу конструирования новых Al-Si сплавов [1].

Заэвтектические силумины применяются и являются перспективным материалом для автодвигателестроения. В настоящее время самым распространенным модификатором заэвтектических силуминов является фосфор, который вводится в расплавы в виде лигатур медь-фосфор (Си-Р) с различной массовой долей фосфора в них. Поэтому разработка фосфорсодержащих лигатур различной структуры, позволяющих уменьшать первичные кристаллы кремния в силумине, является актуальной задачей.

Степень дисперсности кристаллов первичного кремния во многом определяет уровень физико-механических и эксплуатационных характеристик заэвтектических силуминов.

Медь-фосфорную лигатуру использовали в четырех состояниях (разные скорости охлаждении) (таблица 1).

Таблица 1 Медь-фосфористые лигатуры
№	Лигатуры	Способ приготовления (скорость охлаждения)	Фазовый состав	Примечания
1	Сплав МФ с содержанием фосфора 9,2 массы. %. (Лигатура в виде круга — Ф10) [4,10]	– Получена литьём в графитовый кристаллизатор – Скорость охлаждения сплава в процессе кристаллизации, определённая графически по кривой охлаждения, составила 20° С/с	Интерметаллид Сu3P и эвтектика (α+ Сu3 P)	Размер Сu3P составляет 150–200 мкм
2	Сплав МФ с содержанием фосфора 8,0 массы %. (Лигатура в виде круга — Ф2,5 мм) [4,10]	– Получена литьём в графитовый кристаллизатор – Скорость охлаждения сплава в процессе кристаллизации, определённая графически по кривой охлаждения, составила 50°С/с	Дендрит — αCu и эвтектика — (αCu + Сu3P)	Дендрит αCu содержит 1,46 % массы растворённого фосфора. Средний размер дендритов αCu составляет 5,6 мкм
3	Сплав МФ 7,0 с содержанием фосфора 7,0 м. %. (Лигатура в виде ленты толщиной 1–1,5 мм) [4,10]	– Получена литьём в валковый кристаллизатор. – Скорость охлаждения сплава в процессе кристаллизации — 1000°К/с	Дендрит — αCu и эвтектика — (αCu + Сu3P)	Дендрит αCu содержит 1,64 % массы растворённого фосфора. Средний размер дендритов αCu составляет 4,47 мкм
4	Сплав МФ 7,0 с содержанием фосфора 7,0 м. %. (Лигатура в виде ленты толщиной 0,4 мм) [4,15]	– Получена методом боковой подачи расплава на вращающийся валок-кристаллизатор. – Скорость охлаждения сплава в процессе кристаллизации — 10.000° К/с	Дендрит — αCu и эвтектика — (αCu + Сu3P)	Дендрит αCu содержит 1,80 % массы растворённого фосфора. Средний размер дендритов αCu составляет 3,6 мкм

Проведенные исследования показали, что чем выше скорость охлаждения медь-фосфорной лигатуры в процессе кристаллизация, тем больше содержится фосфора в дендрите α_Cu и меньше их размер (рис. 1).

Рис.1. Влияние скорости охлаждения на содержание растворённого фосфора в α_Сu

Модифицирование проводили при температуре 800⁰С. Образцы заготовок диаметром 20 мм и высотой 90 мм из сплава АК21М2,5Н2,5 для исследования структуры и определения механических свойств изготавливали литьем в стальной кокиль [3,6,9].

Модификатор в количестве 1,0 % от массы расплава в виде лигатур-МФ вводили в жидкий металл механическим замешиванием графитовым прутком.

Из середины полученных литых заготовок вырезали образцы, которые шлифовали, полировали и травили водным раствором кислот (1 % HF) [3,12].

Дисперсность микроструктур заэвтектических силуминов оценивали методом сравнительного анализа размеров кристаллов первичного кремния.

Таблица 2

Результаты эксперимента

Номер сплава	Состояние модифицирующего сплава	Размеры кристаллов первичного кремния (мкм) — рис 3.	Средний твердость — комнатная температура (НB 2.5/62.5) — рис 4.
1	АК21М2,5Н2,5 без модифицирования	94,0	132,0
2	АК21М2,5Н2,5 + Лигатура МФ9,2, скорость охлаждения 20° С/с	34,0	128,6
3	АК21М2,5Н2,5 + Лигатура МФ8,0, скорость охлаждения 50° С/с	30,0	127,9
4	АК21М2,5Н2,5 + Лигатура МФ7, скорость охлаждения 1000° К/с	20,0	126,6
5	АК21М2,5Н2,5 + Лигатура МФ7, скорость охлаждения 10000° К/с	20,5	125,5

Структуры сплава АК21М2,5Н2,5 после обработки его лигатурами Cu–P показана на рисунке 2.

а б

в г

д

Рис. 2. Микроструктура сплава АК21М2,5Н2,5 до (а) и после модифицирования (б-д)

Рис.3. Зависимость структуры сплава АК21М2,5Н2,5 от обработки его лигатурами Cu — P.

Рис. 4. Твердость сплава АК21М2,5Н2,5 при комнатной температуре.

Номер сплава на графике соответствует номеру сплава в таблице 2.

Заключение. Установлено, что структура лигатуры медь-фосфор зависит как от содержания введённого в неё фосфора, так и от скорости охлаждения в процессе её кристаллизации.

При этом, чем больше скорость охлаждения в процессе кристаллизации лигатуры, тем меньше размер дендритной ячейки и больше растворённого в ней фосфора.

Установлено, что максимальный эффект измельчения кристаллов первичного кремния заэвтектическом силумине АК21М2,5Н2,5 достигается при вводе в его расплав лигатур МФ7, кристаллизующихся при скоростях охлаждения 10³–10⁴ К/с и имеющих в своём составе растворённый фосфор, и достигает постоянного минимального её значения при его содержании 1,64 масс % и более.

При обработке сплава АК21М2,5Н2,5 лигатурой МФ7, содержащей в своем состав растворенный фосфор в количестве 1,64 массы % и более, размер кристаллов первичного кремния минимален и имеет практически постоянную величину (20–21 мкм).

Твёрдость сплава АК21М2,5Н2,5 после введения в него лигатур МФ, не зависимо от содержания в них фосфора и скорости охлаждения в процессе кристаллизации, монотонно снижается с 132 НВ (Сплав без модифицирования) до 125,5 НВ (Сплав модифицирован лигатурой МФ). При этом наблюдается корреляция во влияниях модифицирующей обработки на его структуру и твёрдость. Следовательно, можно заключить, что фосфор, не зависимо от того в каком виде он находится в составе лигатуры МФ, уменьшает твёрдость сплава АК21М2,5Н2,5.

Литература:

1. В. П. Гавриюк, В. И. Бондаревский Влияние микрокристаллической лигатуры Cu-7 %P на дисперсность кристаллов первичного кремния в заэвтектическом силумине// Литье -2011. С.228–230.
2. Стеценко В. Ю. Модифицирование силуминов мелкокристаллическими алюминиевыми сплавами// Машиностроение и машиноведение. 2009, № 1. С. 21–24.
3. Селиванов А. А. Влияние фосфора и церия на структуру эвтектического силумина АК12ММгН и разработка технологии изготовления из него норшней для автомобильных двигателей// Автореферат дисс. канд. техн. наук. МИСиС, 2006.
4. Филипова И. А. исследование и разработка модификаторов, закаленных из жидкого состояния, и технологии модифицирования доэвтектических силуминов с целью получения высококачественных отливок транспортного машиностроения// Автореферат дисс. канд. техн. наук. МИСиС, 2011
5. Никитин К. В. Модифицирование и комплексная обработка силуминов // Самара. — 2006.
6. Белов Н. А. Поршневые силумины // Москва — 2011.
7. Строганов Г. Б., Фотенберг В. Л., Гершман Г. Б. Сплавы алюминия с кремнием // М: Металлургия, 1977
8. Гусева В. В. Влияние примесей на процесс кристаллизации и структуру заэвтектических силуминов и разработка плавки поршневых сплавов// Автореферат дисс. канд. техн. наук. М., 1993.
9. Белов М. В. Исследование кристаллизации Al-Si сплавов и разработка легкоплавких фосфорсодержащих лигатур с целью повышения качества литых поршневых заготовок// Автореферат дисс. канд. техн. наук. МИСиС, 2007.
10. Кривопалов Д. С. Применение микрокристаллических модификаторов при подготовке алюминиевых расплавов к литью с целью повышения качества литых изделий// Автореферат дисс. канд. техн. наук. Нижний Новгород, 2016.
11. Напалков, В. И. Легирование и модифицирование алюминия и магния // Москва.: МИСиС, 2002. — 376 с.
12. Альтман, М. Б. Рафинирование алюминиевых сплавов в вакууме // Москва.: Металлургия, 1970. — 160 с.
13. Белов, Н. А. Атлас микроструктур промышленных силуминов: Справ. // Москва.: МИСиС, 2009. — 204 с.
14. Строганов, Г. Б. Сплавы алюминия с кремнием // Москва.: Металлургия, 1977. — 272 с.
15. Таволжанский С. А. Анализ процесса получения лент медно-фосфорного припоя методом боковой подачи расплава на вращающийся валок-кристаллизатор // Москва.: Конференция «Прогрессивные литейные технологии», 2015. — 93 с.