Модификация сплавов

Модифицирование эвтектических и доэвтектических алюминиево-кремнеевых сплавов. Проблемы модификации.

К категории эвтектических и доэвтектических алюминиево-кремнеевых сплавов относятся сплавы с содержанием кремния от 6% до 13%. Среди этих сплавов наиболее распространены сплавы АК7, АК9ч, АК9М2, АК12М2 и пр. Все эти сплавы льются в кокиль, песчаные формы, под низким и высоким давлением. Параметры, обуславливающие метод и степень модифицирования, определяются в первую очередь следующими факторами:

• содержанием кремния в сплаве;
• формой и толщиной стенок отливки;
• типом литья ( кокиль, песчаная форма и пр. )
• временем кристаллизации.

Можно утверждать, что для сплавов содержащих низкий процент кремния, требующий низкую температуру заливки и высокую скорость кристаллизации требуется уменьшение количества модификатора. И наоборот, при высоких содержаниях кремния, высокой температуре заливки с медленной кристаллизацией количество модификатора должно быть увеличено. Для литейного производства существуют сотни модификаторов ( флюсов ). Чтобы найти правильный и соответствующий модификатор для конкретного вида литья и отливки мы должны построить систему классификации, которая учитывала бы вышеперечисленные параметры.

Модифицирование, производимое порошковыми флюсами, содержащими NaF в переменном количестве от 20% до 70% может дать удовлетворительную отдачу только при условии, что флюс будет интенсивно перемешиваться и сплав будет иметь достаточно высокую температуру ( 730-750ºС ) для усвоения Na алюминиевым сплавом. По этим причинам в последнее время использование порошковых модифицирующих флюсов сократилось в пользу модификаторов в виде таблеток. Модифицирующие таблетки содержат меньшее количество токсичных вредных соединений, удобны в использовании, имеют высокую степень усвоения модифицирующих составляющих.

Не стоит игнорировать тот факт, что для достижения хороших результатов модифицирования необходимо контролировать содержание элементов в сплаве противодействующих действию натрия. Такими элементами являются, например сурьма, висмут, фосфор, кальций.

Рассмотрим влияние фосфора и кальция. При нулевом содержании фосфора или при его содержании менее 0,0005% сплав был бы не модифицированным флюсами, если только не использовать с большой осторожностью металлический натрий. Если содержание фосфора в сплаве скажем 0,003% необходимо сильно увеличивать дозу модификатора , т.к. 0,003% фосфора нейтрализуют 69ррм натрия.

Присутствие кальция в объеме 0,001-0,002% допустимо, если даже не идеально. Повышение содержания кальция выше 0,005% приводит к риску ослабления действия натрия при модифицировании, кроме этого сплав насыщается газом и на поверхности отливок появляется желто-серая пленка. Напомним, что кальций, как и натрий, является модификатором, но его присутствие ослабляет действие натрия.

Следует также помнить следующие важные факторы:

• при низкой температуре снижается усвоение модифицирующих элементов ( отрицательный параметр )
• при низкой температуре ускоряется время кристаллизации отливки ( положительный параметр )

И наоборот. От влияния этих параметров появляется необходимость уменьшать или увеличивать дозировку флюса от рекомендуемого. По этой причине необходимо использовать средства контроля степени модифицирования, особенно в начале заливки, для оценки структуры металла:

• излом образца;
• микрография;
• спектральный анализ

Каждое литейное производство самостоятельно принимает решение по материалам и технологиям, с помощью которых они будут производить обработку сплавов. Технологию применения различных модификаторов и флюсов можно получить от специализированных поставщиков, но не в этом вся проблема. Сегодня все говорят о "качестве" и "контроле качества" поэтому все изложено выше доказывает, что процесс модифицирования со своими различными параметрами и условиями требует "контроля качества высшего уровня". Контроль результатов модифицирования был предсказуем для опытных литейщиков. Они знают, а некоторые практикуют заливку образца с последующим рассмотрением его структуры на изломе. Во многих случаях такой тип контроля может считаться достаточным, во всяком случае, лучше, чем отсутствие такового. С большей точностью степень модифицирования может быть проверена по исследованию протравленного шлифа, проанализированного на микроскопе.

Единственный недостаток - это длительное время подготовки образцов, которое часто превышает время производственных циклов в металлургии. В течение многих лет спектральный анализ казался единственно надежным методом контроля не только основных компонентов и примесей сплава, но так же и результата модифицирования, обеспечивающим в течение нескольких минут после отбора образца полный анализ химического состава, включая количество модифицирующих присадок. Особенно когда сплав типа АК9ч предназначенный для производства литье в кокиль отливок среднего и крупного размера хорошо модифицирован, если натрий присутствует в количестве 0,01%. Жаль говорить об этом, но это только полуправда и посмотрим почему. При плавке первичного алюминиевого сплава с низким содержанием кальция и фосфора для достижения хорошего модифицирования достаточно добавить 0,033% натрия. Ввиду того, что усваивание натрия происходит порядка 30%, мы будем уверены, что в сплаве присутствует 0,01% натрия. Совсем по другому обстоят дела при использовании вторичного алюминия. Неизбежно, что этот металл будет содержать нежелательные примеси, нежелательные потому, что вступят в реакцию с натрием. Соединение получаемое в результате реакции в расплаве, например между натрием и фосфором, анализируются спектрометром не как соединение, а как отдельные элементы. Другими словами спектрометр указывает не степень модифицирования а только количество модифицирующих элементов в сплаве. Следовательно при расчете необходимого количества модифицирующих элементов необходимо учитывать количество негативных элементов препятствующих модифицированию. Например:

• фосфор вступает в реакцию с натрием образуя Na3P, при этом 0,0031% фосфора связывает 0,0069% натрия;
• сурьма вступает в реакцию с натрием образуя Na3Sb, при этом 0,0122% сурьмы связывают 0,0069% натрия;
• висмут вступает в реакцию с натрием образуя Na3Bi, при этом 0,0209% висмута свяжут 0,0069%натрия.

Не стоит забывать про хлор. 0,0035% хлора преобразуют 0,0023% натрия в NaCl который выделяется в виде шлака. По этой причине сплав после модифицирования натрием не должен дегазироваться хлором или с помощью препаратов выделяющих хлор для дегазации.

Возвращаясь к спектральному анализу, как средству контроля модифицирования алюминиево-кремниевых сплавов, можно сказать, что если прибор снабжен всеми каналами для считывания необходимых элементов, может дать возможность рассчитать достаточно "точную" дозировку модификатора. Под "точным" подразумевается дозировка учитывающая, что какая-то часть модифицирующего элемента будет нейтрализована нежелательными элементами.

Так же следует упомянуть еще об одном методе контроля результатов модифицирования. Речь идет о "термо-анализе"- метод который основан на физическом способе контроля. Он предназначен не для определения химических элементов, а для выявления кривой охлаждения и следовательно определения степени произведенной модифицирования. Такие приборы устанавливаются непосредственно у раздаточной печи и в любой момент анализ может быть произведен, тем самым обеспечивается динамика характеристик каждой отливки, особенно крупных по массе отливок.

В производственных практиках «АвтоЛитМаш» полагается на алюминиевое литье совместно с изготовлением модельной оснастки, технологической оснастки, литьем в ХТС. По всем имеющимся вопросам, а также с целью обмена практическим опытом просим обращаться к нам !

Андрей Бабурин