Проблема пористости при модифицировании силуминов стронцием

Получение качественных конкурентоспособных отливок из силуминов невозможно без модифицирования их эвтек­тики. Применяемые для этих целей натрийсодержащие флюсы не всегда обеспечивают требуемый уровень механи­ческих свойств, ухудшают жидкотекучесть и обладают крат­ковременным модифицирующим эффектом. Поэтому в за­рубежной практике натрийсодержащие флюсы полностью вытеснены модификаторами длительного действия, в част­ности, стронцием. Последний обладает рядом существен­ных преимуществ по сравнению с натрием и обеспечивает стабильный модифицирующий эффект, сохраняющийся в течение нескольких часов и при повторных переплавах [1].

Вместе с тем многие исследователи указывают, что строн­ций усиливает пористость из-за повышенного газосодержа­ния лигатуры алюминий-стронций, которая после ввода в расплав силумина является источником водорода и повыша­ет его газосодержание, а в дальнейшем способствует разви­тию газоусадочной пористости [2-4]. Действительно, при­менение алюминий-стронциевой лигатуры, предварительно рафинированной вакуумированием [2] или прошедшей бы­струю кристаллизацию после обработки аргоном или серой [3-5], обеспечивает пониженный уровень газосодержания модифицированного силумина. При этом плотность немо-дифицированного сплава всегда остается выше, чем у моди­фицированного, независимо от скорости охлаждения отлив­ки и количества модификатора (рисунок 1). Следует отметить, что с увеличением скорости охлаждения отливки негативное влияние модифицирования стронцием на плотность отли­вок уменьшается.

Для выяснения причин образования пористости в моди­фицированных силуминах проводили исследования на сплавах системы Al-Si с содержанием кремния от 0 до 14% по методике, описанной в работе [6]. Для модифицирова­ния использовали лигатуры "А" и "Б" на основе алюминия с расчетным содержанием стронция 10%. Газосодержание ли­гатуры "А" составляло 0,12 см³/100 г металла, лигатуры "Б" — 0,45 см³/100 г. Полученные результаты по распределению параметров усадки в зависимости от содержания кремния в немодифицированном силумине хорошо согласуются с дан­ными работы [7] и теоретическими представлениями о кри­сталлизации двойных сплавов. При этом четко прослежива­ется положительное влияние скорости охлаждения на вели­чину усадочной раковины (V_p) для всех исследованных со­ставов сплавов (рисунок 2).

Рисунок 1. Влияние добавок Sr на плотность сплава АК 12 при литье в кокиль и сухую песчаную форму

Модифицирование силуминов лигатурами "А" и "Б" су­щественно изменяет зависимость параметров усадки от со­держания кремния в силуминах по сравнению с исходными составами сплава (рисунки 3 а, б).

а

б

Рисунок 3.  Зависимость объемной усадки сплавов системы Al-Si, модифицированых 0,05% Sr лигатурами "А" (а) и "Б" (б), от содержания кремния

Характер изменений практи­чески не определяется типом лигатуры (рафинированная "А" или газонасыщенная "Б"). Для всех составов и типов лигатур возрастает величина усадочной пористости (V_n), хотя и в разной степени. В случае обработки силуминов с содержанием 6% Si лигатурой "А" величина усадочной по­ристости при литье в сухую песчаную форму составила 4,8% (рисунок 3а), что выше, чем у исходного сплава (рисунок 2), но ниже, чем после ввода в сплав лигатуры "Б", для которого данный показатель составил 4,90% (рисунок 3б). Увеличение скорости охлаждения отливок уменьшает различие в величине уса­дочной пористости в зависимости от способа ввода строн­ция, однако общая закономерность сохраняется (рисунки 3 а, б). Подобное различие в величине усадочной пористости на­блюдается для всех исследованных составов в случае ввода лигатуры "А" и "Б".

При этом четко прослеживается более эффективное увеличение усадочной пористости от процесса модифицирования. Использование газонасыщенной лигату­ры "Б" по сравнению с лигатурой "А" незначительно усили­вает пористость в отливках.

Увеличение доли усадочной пористости в силуминах при вводе в них Sr, Li, Са и Na отмечается также авторами работ [1, 6, 8-11] и может быть объяснено следующими причина­ми.

Во-первых, Li, Na, К, Са, Sr и Ва уменьшают плотность алюминиевого расплава, увеличивают температурный коэф­фициент объемного расширения и, как следствие, величину его объемной усадки при кристаллизации, приводящей к увеличению пористости отливок. По данным авторов рабо­ты [8], добавка 0,05% Na в сплав АК12 увеличивает удель­ный объем сплава при кристаллизации с 4,50% до 6,58%, а модифицирование сплава 0,05% Li повышает ?V до 7,17%.

Другая причина повышения пористости — это более вы­сокое газосодержание сплавов, т.к. щелочные и щелочнозе­мельные металлы, поглощенные расплавом при модифици­ровании, увеличивают насыщение расплава водородом, ко­торый при затвердевании отливок может диффундировать в образующиеся усадочные поры и препятствовать их «зале­чиванию» расплавом [8]. Для объяснения данного факта можно использовать доводы авторов работы [12], которые полагают, что уровень растворимости водорода в жидком силумине определяется относительным объемом металлизованной зоны и концентрацией в ней кремния.

Любая обра­ботка расплава, увеличивающая относительный объем металлизованной зоны при условии сохранения состава, будет приводить к увеличению газонасыщенности сплава. Развивая это положение, можно объяснить причину повышения газосодержания модифицированных сплавов, так как Na и Sr способствуют металлизации связи Si-Si, что подтвержда­ется снижением удельного электросопротивления модифи­цированного сплава [13-15].

В-третьих, расширение зоны усадочной пористости в мо­дифицированных силуминах тесно связано с увеличением интервала кристаллизации. Анализ термограмм затвердева­ния, полученных с помощью установки «Термозонд», пока­зал, что независимо от способа ввода стронция температура ликвидус модифицированного сплава не отличается от не-модифицированного, а температура солидус снижается на 9-12°С по сравнению с температурой эвтектического пре­вращения в системе Al-Si для равновесных условий (таблица 1).

Таблица 1.  Температуры ликвидус и солидус в сплавах системы Al-Siи Al-Si-0,05%Srв зависимости от содержания кремния

Поэтому модифицированный сплав для всех концентраций кремния всегда имеет более широкий интервал кристалли­зации по сравнению с немодифицированным, а следовате­льно, и иное соотношение слагаемых объемной усадки [6]. По мнению авторов работы [10], объем усадочной пористо­сти может увеличиваться за счет уменьшения на 50% объема концентрированной усадочной раковины.

В-четвертых, повышенная склонность модифицирован­ных силуминов к образованию усадочной пористости во многом определяется изменением механизма кристаллиза­ции. Немодифицированные силумины кристаллизуются, как правило, последовательно - от стенки формы к центру отливки или ее тепловому узлу с небольшим переохлажде­нием эвтектики относительно температуры равновесного солидуса (577°С). Величина переохлаждения в этом случае составляет ~ 3,0°С, а для сухой песчаной формы и того ме­ньше.

При кристаллизации модифицированных силуминов преобладает объемно-последовательный механизм, когда часть расплава кристаллизуется последовательно от стенки формы, а основная масса сплава в результате подавления центров кристаллизации эвтектических колоний начинает кристаллизоваться с переохлаждением 9-12°С (таблица1). Вследствие нейтрализации натрием или стронцием центров кристаллизации эвтектические колонии растут в форме сферолитов и могут достигать до 10 мм в диаметре [16], образуя при смыкании изолированные поры, которые не пропиты­ваются остатками жидкого расплава. Кроме того, у модифи­цированного сплава процесс «массового питания» прекра­щается раньше, чем у немодифицированного, а «интеркристаллитное» питание не в состоянии их залечить [14]. Поэ­тому в отливках, полученных в песчаных формах, модифи­цирование укрупняет размер пор и рассредотачивает их по всему объему. При этом расширяется диапазон размеров пор.

Если в немодифицированном сплаве Al-8%Si преобла­дали поры размером 25-30 мкм и максимальный размер пор составлял 250-270 мкм, то после ввода лигатуры "А" макси­мальные поры достигали 330-350 мкм, а наибольшее коли­чество пор приходилось на размер 35-40 мкм. В случае обра­ботки этого же сплава лигатурой "Б" максимальный размер пор в образцах, отлитых в песчаную форму, составил 350-360 мкм при основном количестве пор с размером 40-50 мкм. На образцах, отлитых в металлическую форму после модифицирования лигатурами "А" и "Б", преобладают бо­лее мелкие поры размером 5-10 мкм. При использовании лигатуры "Б" количество пор на 1 мм² площади шлифа при­мерно на 10-15% больше, чем после обработки лигатурой "А". Это можно объяснить тем, что при увеличении скоро­сти охлаждения остается меньше времени на диффузию во­дорода в расплав и за счет возрастающей вязкости поры по­лучаются более мелкими [6].

Полученные результаты свидетельствуют о том, что ре­шающая роль в развитии газоусадочной пористости принад­лежит не газосодержанию лигатуры, а изменению процесса кристаллизации. В подтверждение сделанных выводов мож­но привести результаты работы [8], полученные на сплаве АМг6. Под влиянием добавок лития в сплаве сильно умень­шилась усадочная раковина и увеличилась пористость до 6%, что невозможно объяснить только образованием газовых пор. Допуская, что содержание водорода в сплаве АМг6 с 0,01-0,10% лития при 750°С составляет 0,5 см³/100 г, а его растворимость в твердом сплаве при температуре солидуса не менее 0,2 см³/100 г, то максимальное количество водоро­да, которое выделится при кристаллизации сплава, не пре­высит, согласно работе [8], 0,3 см³/100 г. Объем этого коли­чества газа при 900К по закону Гей-Люссака равен 0,9 см³/100 г, что в пересчете на пористость при плотности рас­плава ρ_ж = 2360 кг/м³ составит объем пор только 2,12%. Уве­личение пористости сплавов с примесями лития авторы ра­боты [8] связывают с изменением условий кристаллизации, приводящих к перераспределению объема раковины и пори­стости при сравнительно небольшом увеличении общей объемной усадки.

Принимая во внимание полученные результаты исследо­ваний, можно предположить, что наиболее эффективным способом устранения газоусадочной пористости в отливках из модифицированных силуминов будет использование тех­нологии литья, применяемой при получении отливок из широкоинтервальных сплавов [17]. Такая технология за­ключается в использовании холодильников и небольших прибылей. В этом случае со стороны холодильника создает­ся направленное затвердевание и обеспечивается получение плотной литейной корочки, а более удаленные слои пропи­тываются за счет прибыли.

Для проверки высказанного предположения из сплава АК9 (Si - 8,2%; Сu - 0,95%; Мn - 0,21%; Mg - 0,34%; Fe -0,85%; Zn - 0,35%; Ti - 0,07%) в исходном состоянии и по­сле модифицирования 0,05% Sr были получены опытные отливки в виде пластины размером 300×100×20 мм литьем в сухую песчаную форму по методике работы [18]. Отливки после очистки распиливали на 45 образцов с самостоятель­ной маркировкой. После определения их плотности рассчи­тывали значения пористости и строили зависимость этой характеристики от длины и ширины пластины. Как видно из рисунка 4а, немодифицированный сплав имеет максималь­ную пористость в центральной части отливки и она колеб­лется от 0,28 до 0,68%. По периферийным частям отливки пористость значительно ниже и находится в пределах 0,18-0,47%, что удовлетворяет стандартам качества по пори­стости (< 0,50%) [19]. Для модифицированного сплава (рисунок 4б) наблюдается аналогичная закономерность в распре­делении пористости, только ее показатели существенно выше. Так, в центральной зоне пористость составляет 0,59-1,12%, а на периферийных участках 0,48-0,87%. Полу­ченные зависимости хорошо согласуются с данными работы [18] применительно к сплавам AlSi12Cu, AlSi9Cu3Zn2, Al-Si12, модифицированным натрием.

Рисунок 4.  Распределение пористости по длине отливки из сплава АК9 в исходном состоянии (а) и после обработки 0,05% Sr(б)

Использование обычных прибылей не позволило полу­чить пористость менее 0,5% в центральной зоне отливки для модифицированного сплава. В случае одновременного использования двух открытых прибылей и торцевого холоди­льника 10×20×100 мм пористость центральной зоны отливки не превышала 0,42-0,48%, что удовлетворяет требованиям стандартов западных стран по пористости [19].

Таким образом, при использовании модифицирования для улучшения физико-механических свойств отливок одновременно следует корректировать и технологию их полчения во избежание повышенного брака по пористости.

Модифицирующие препараты длительной живучести (в том числе, стронцийсодержащие модифицирующие присадки), как и широкая гамма фильтров, модификаторов, флюсовых, таблетированных и других материалов для литейного и металлургического производств, промышленно выпускаются ООО «ПромФильтр» (Республика Беларусь). Официальным представителем ООО «ПромФильтр» на территории Украины является компания ООО «Комплекс Плюс» (г. Харьков) т.ф. (057) 7 545 946.

Литература