Структурные и фазовые превращения в заэвтектическом сплаве Al-18,5 % Si, обработанном в жидком состоянии периодическим импульсным электрическим током

Abstract

RU: Постановка проблемы. Потенциал традиционных методов управления качеством металлопродукции термической обработкой в твердом состоянии практически исчерпан. Перспективным направлением усовершенствования литой структуры и эксплуатационных характеристик отливок из силуминов является обработка расплава электрическим током. Для повышения прочности и пластичности заэвтектических алюминиево-кремниевых сплавов, в структуре которых присутствуют крупные кристаллы первичного кремния, их модифицируют фосфористой медью, которая токсична и неблагоприятно влияет на состояние окружающей среды. Для разработки целенаправленных способов усовершенствования структурны и свойств силуминов воздействием на жидкую фазу электрическим током необходимы всесторонние взаимно дополняющие исследования. Это позволит не только повысить эффективность управления качеством литых изделий методом внепечной обработки расплавов электрическим током, но и даст возможность расширить сферы его использования, в частности, в производствах, использующих химически вредные модификаторы. Цель. Расширение представлений о механизме модифицирования заэвтектических силуминов обработкой расплавов периодическим однополярным импульсным электрическим током, установление взаимосвязи изменений микроструктуры и фазового состава сплава с температурными и термодинамическими параметрами его плавления и кристаллизации. Методика. Комплексные исследования методами металлографического, рентгеноструктурного и дифференциально-термического анализа. Результаты. При разработанных в работе режимах и способах подачи электрического сигнала изменяется структура расплава, ближний порядок атомов в кремнийсодержащих кластерах, уменьшается их размер и объёмная доля. Это способствует уменьшению удельной теплоты кристаллизации первичных кристаллов кремния более, чем на 50 %, эвтектики на 2 - 4 %, повышению температуры ликвидус на 20 - 25 К и снижению температуры солидус на 6 - 14 К по сравнению с характеристиками исходного сплава. В зависимости от режимов обработки электрическим током в жидком состоянии, при кристаллизации образуются новые модификации кремния с металлическим типом межатомного взаимодействия, уменьшается размер и количество первичных кристаллов кремния, вплоть до полного их отсутствия в микроструктуре при исследованиях методом световой микроскопии. Формируется тонкодифференцированная a-Al+P-Si эвтектика со сфероподобными, равномерно распределёнными кристаллами эвтектического кремния. Научная новизна. Впервые установлены микроструктурные и фазовые изменения, термодинамические параметры процесса кристаллизации фаз в заэвтектических силуминах, обработанных в жидком состоянии периодическим (циклическим) импульсным электрическим током по специально разработанным режимам. Практическая значимость. Новые знания о процессе модифицирования заэвтектических силуминах электрическим током способствуют целенаправленному поиску путей создания новых материалов с принципиально отличающимися свойствами.

UK: Постановка проблеми. Потенціал традиційних методів управління якістю металопродукції термічною обробкою в твердому стані практично вичерпано. Перспективним напрямом удосконалення литої структури і експлуатаційних характеристик виливків з силумінів є оброблення розплаву електричним струмом. Для підвищення міцності та пластичності заевтектичних алюмінієво-кремнієвих сплавів, у структурі яких присутні великі кристали первинного кремнію, їх модифікують фосфористої міддю, яка токсична і несприятливо впливає на стан навколишнього середовища. Для розроблення цілеспрямованих способів удосконалення структури та властивостей силумінів впливом на рідку фазу електричним струмом необхідні всебічні взаємно доповнюючі дослідження. Це дозволить не тільки підвищити ефективність управління якістю литих виробів методом позапічного оброблення розплавів електричним струмом, але й дасть можливість розширити сфери його використання, зокрема, у виробництвах, що використовують хімічно шкідливі модифікатори. Мета. Розширення уявлень про механізм модифікування заевтектичних силумінів обробленням розплавів періодичним однополярним імпульсним електричним струмом, встановлення взаємозв'язку змін мікроструктури і фазового складу сплаву з температурними і термодинамічними параметрами його плавлення і кристалізації. Методика. Комплексні дослідження методами металографічного, рентгеноструктурного і диференційно-термічного аналізу. Результати. При розроблених у роботі режимах і способах подачі електричного сигналу змінюється структура розплаву, ближній порядок атомів у кремнійвмісних кластерах, зменшується їх розмір і об'ємна частка. Це сприяє зменшенню питомої теплоти кристалізації первинних кристалів кремнію більш, ніж на 50 %, евтектики на 2 - 4 %, підвищенню температури ліквідус на 20 - 25 К і зниженню температури солідус на 6 - 14 К, порівняно з характеристиками вихідного сплаву. Залежно від режимів оброблення електричним струмом у рідкому стані, при кристалізації утворюються нові модифікації кремнію з металевим типом міжатомної взаємодії, зменшується розмір і кількість первинних кристалів кремнію, аж до повної їх відсутності в мікроструктурі при дослідженнях методом світлової мікроскопії. Формується тонкодиференційована a-Al + P-Si евтектика зі сфероподібними, рівномірно розподіленими кристалами евтектичного кремнію. Наукова новизна. Вперше встановлено мікроструктурні та фазові зміни, термодинамічні параметри процесу кристалізації фаз у заевтектичних силумінах, оброблених у рідкому стані періодичним (циклічним) імпульсним електричним струмом за спеціально розробленими режимам. Практична значимість. Нові знання про процес модифікування заевтектичних силумінах електричним струмом сприяють цілеспрямованому пошуку шляхів створення нових матеріалів з принципово відмінними властивостями.

EN: Raising of problem. Potential of traditional methods of management by quality of metal productions in the hard state practically outspent heat treatment. Perspective direction of improvement of the cast structure and operating descriptions of founding from silumins is treatment of fusion an electric current. For the increase of durability and plasticity of hypereutectic aluminium-silicon alloys, there are large crystals of primary silicon in the structure of that, they are modified by a phosphorous copper that is toxic and unfavorably influences on the state of environment. For development of purposeful methods of improvement structural properties of silumins affecting liquid phase an electric current is need all-round mutually complementary researches. It will allow not only to promote management efficiency quality of the cast wares by the method of out-of-furnace treatment of fusions an electric current but also will give an opportunity to extend the spheres of his use, in particular. Purpose. Expansion of ideas about the mechanism of retrofitting of hypereutectic silumins by periodic (cyclic) pulse electric current treatment of fusions, establishment of intercommunication of changes of microstructure and phase composition of alloy with the temperature and thermodynamics parameters of his melting and crystallization. Methodology. Complex researches by metallography, X-ray diffraction and thermal analysis (DTA) methods. Results. At the modes and methods of serve of electric signal worked out in-process the structure of fusion, near order of atoms, changes in Si-containing clusters, their size and by volume stake diminish. It assists reduction of specific heat of crystallization of primary crystals of silicon (Si1) more, than on 50 % and eutectic on to 2 - 4 %, increases of temperature liquidus on 20 - 25 K and decline of temperature solidus on 6 - 14 K comparatively with descriptions of initial alloy. Depending on the modes of treatment an electric current in the liquid state, during crystallization new modifications of silicon appear with the metallic type of inter-atomic interaction, a size and amount of Si1 diminish, even to their complete absence in a microstructure at researches by the method of optical microscopy. The thinly-differentiated of a-Al+P-Si eutectic is formed with the globular-like crystals of eutectic silicon in morphology with homogeneous distribution. Scientific novelty. Microstructure and phase changes, thermodynamics parameters of process of crystallization of phases, are first set in hypereutectic silumins treatment in the liquid state a periodic (cyclic) pulse electric current on the specially worked out modes. Practical meaningfulness. New knowledge about the process of retrofitting hypereutectic silumins by pulse electric current treatment is assist the purposeful search of ways of creation of new materials with fundamentally different properties.