УДК 621.74

Томаш Липиньски

Университет Варминьско-Мазурский в Ольштыне

Польша

ТЕМПЕРАТУРА НАЧАЛА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ СПЛАВА Аl-7%Si ПОСЛЕ ОБРОБОТКИ ЭГЗОТЕРМИЧЕСКИМИ СОЕДИНЕНИЯМИ

Введение. При введении в сплав специальных добавок (модификаторов), которые например значительно влияют на степень охлождения, изменяют протекание процесса кристаллизации. Определение отношения составляющих сплава является давольно сложным [1]. Регулируя прцессом кристаллизации возможно в определенных границах изменять строение структуры и связанные с ней свойтва сплавов [2,3,4].

Одним из методов исследования кинетики процессов кристаллизации являетя термический и деривационный анализ [5].

Изменение агрегатного состояния с жидкого на твердое связано с преодолением энергетического порога необходимого для образования зародышей, т.е. с поставлением соответствующей энергии активации, что взаимосвязано с необходимостью получения охлождения. Можно также управлять процессом кристаллизации, при помощи введения в сплав чужих зародышей.

Элементы и химические соединения, как вводимые так и образовавшиеся в результате экзотермических реакций, переходят в сплав и влияют на его кристаллизацию [6]. Подбирая состав смеси можем в полном диапазоне влиять на ускорение или замедление начала кристаллизации сплава или его отдельных фаз. Управляя началом кристаллизации, замедлением или ускорением протекания равновесного процесса, можем влиять на строение сплава. Дополнительным положительным качеством является возможность введения требуемых составляющих, которые могут одновременно влиять на процесс кристаллизации, а после затвердевания сплава иметь очень важное значение в условиях эксплуатации.

Цель исследований. Цель исследований - определение возможности управления температурой начала кристаллизации TL₁ сплава Аl-7%Si при помощи эгзотермических соединений вводимых меодой Инмольд.

Методика исследований. Исследования проводили на сплаве Аl-7%Si на основе симметричного рототабильного плана для трех независимых переменных. Для обработки сплава использовали смеси Na₂B₄O₇, NaNO₃ и Cr₂O₃+AlNi. Необходимое количество редуктора (Mg) для протекания реакции рассчитывали на основании химических реакций. Весовой удел соответствующих переменных приведен в таблице 1.

Таблица 1

Весовой удел соответствующих переменных на 1100г сплава

Переменная	Основной уровень [г]	Диапазон изменений [г]
Na2B4O7	0,5	0,2
NaNO3	1,0	0,25
Cr2O3+AlNi	2,0	1,0

Формовочным материалом была чёрная масса. После соединения и прессовки, смеси размещали в реакционной камере 3 находящейся под главным заполнителем 2. Блокирующий стержень 6 защищал от обратного выплывания металла. Температуры кристаллизации измеряли в пробоотбирателе 10 размещенном между реакционной камерой и выемкой формы. Для исследований использовали форму с выемками для клинового образца 7 и образца для исследования прочности 13. Формовку выполняли вручную. Форму заливали сплавом Аl-7%Si на мокро в количестве около 1100 г при температуре 850°С.

Rys. 1 Поперечный разрез литейной формы: 1 – прибыльная надставка; 2 – главный заполнитель; 3 – реакционная камера; 4 –керамический экран термопар; 5 – картонный экран термопар; 6 – блокирующий стержень; 7 - стержень клиновой пробы; 8 – выпор; 9 – заполнитель распределяющий; 10 – пробоотбиратель термический;11 - термопары NiCr-NiAl; 12 – крышка образца; 13 –образец для исследования прочности

Согласно с принятым планом исследований общий вид уравнения математической модели представлено уравнением (1):

(1)

где:

b₀, b_i, b_ij, b_ii – коэффициенты уравнения,

k – число факторов.

Дисперсию в исследованиях рассчитывали при использовании уравнения (2):

(2)

- среднее арифметическое значение измерений,

y_ou – значения параметров в исследованиях на основном уровне,

N₀ – количество исследований на основном уровне.

Существенность коэффициентов регрессии проверено на основании критического значения t-распределения Стьюдента для a=0,05 и степенью свободы f₁=N₀-1.

Адекватность полученной математической модели оценивали при использовании F-распределения Фишера.

(3)

где: - варианция адекватности,

- варианция иследования.

Варианцию адекватности определяли используя уравнение (4):

(4)

- значение параметра для данного иследования в математической зависимости,

k’ - количесто существенных коэффициентов регрессии вместе с b₀.

Зависимость будет адекватна если:

F_obl. <F_kr (5)

где: F_kr – критическое значение распределения отчитанное с таблиц для уровня значимости, числа степеней свободы дисперсии повторения f₁=N₀-1 и адекватности f₂=N₀-k’-1.

Адекватность полученной математической модели оценивали при использовании F-распределения Фишера.

Высший уровень (+1) ролучен прибавлением к основному уроню диапазона изменений, а нисший уровень (-1) – соответственно отниманием от основного уровня диапазона изменений (см.таблицу).

Результаты исследований и их анализ. Изменение температуры TL₁ для каждой переменной при крайних уровнях двух остальных переменных (высшем или нисшем) представлены на рисунках 2-4. Рисунки эти получены при помощи разверки соответствующих боков шестигранника ограничивающиего поверхность описанного уравнением (1) на высшем и нисшем уровнях изменений составляющих. Каждая из четырех составляющих частей графика отражает сечение поверхности пространственного графика с плоскостью соответствующего бока шестигранника. Пунктирная линия отражает изменения на нисшем уровне третей переменной, а линия сплошная – изменения на высшем уровне той же переменной.

Рис. 2. Изменение температуры TL₁ в результате обработки сплава Аl-7%Si смесями:

Na₂B₄O₇ и NaNO₃ для Cr₂O₃+AlNi = 1,0 и 3,0 г

Рис. 3. Изменение температуры TL₁ в результате обработки сплава Аl-7%Si смесями:

NaNO₃ и Cr₂O₃+AlNi для Na₂B₄O₇ = 0,3 и 0,7 г

Рис. 4. Изменение температуры TL₁ в результате обработки сплава Аl-7%Si смесями:

Cr₂O₃+AlNi и Na₂B₄O₇ для NaNO₃ = 0,75 и 1,25 г

Влияние изменений отдельных пар составляющих прямопропорциональны изменению содержания (т.е. увеличение анализируемого параметра при увеличении содержания третьей составляющей) и это отражает сплошная линия, представляющая высший уровень - самое большое содержание составляющей, над линией пунктирной, представляющей нисший уровень - минимальное содержание составляющей в смеси.

Влияние обратнопропорциональное изменениям содержания (когда увеличение содержания данной составляющей в смеси приводит к снижению содержания анализируемого параметра) отражает наличие сплошной линии ниже линии пунктирной.

Влияние нейтральное (незавасимо от уровня третьей составляющей) на рисунке отражено накладкой линии пунктирной на сплошную. Если нет пункта пересечения пунктирной линии со сплошной, это информирует о однородном влиянии.

Предел, в котором возможно влияние на анализированный параметр, образован поверхностью между пунктирной и сплошной линией. Одинаковое расстояние между ними информирует о том, что нет различий между нисшим и высшим уровнем третьей составляющей в границах данного предела. Сходимость линий информирует о сужении предела изменений, а расходимость – о расширении предела изменений анализируемого параметра в результате обработки сплава соответствующими составляющими экзотермической смеси.

В первой четверти рисунка представлено влияние первой переменной принимающей значения в пределе: +1 (уровень высший) и –1 (уровень нисший), при значении другой переменной на уровне нисшем.

Во второй четверти вторая переменная имеет значения в пределе: -1; +1, при значении первой переменной на уровне нисшем.

В третьей четверти первая переменная находится в пределе: -1, +1, при значении другой переменной на уровне высшем.

В четвертой четверти вторая переменная принимает значения в пределе: +1; -1, при значении первой переменной на уровне высшем.

Рисунок 2 представляет изменения TL₁ в зависимости от Na₂B₄O₇ и NaNO₃ при (Cr₂C₃ + AlNi) на уровне нисшем (линия сплошная) и высшем (линия пунктирная). Для этой пары смесей получено нейтральное направление влияния. Увеличение содержания какой-либо составляющей в смеси приводит к возрастанию температуры TL₁.

При Cr₂C₃ + AlNi на высшем уровне (+1, т.е. 2.0г) наблюдались высшие температуры начала кристаллизации сплава AK7 по сравнению с температурами для той же составляющей на уровне нисшем (-1б т.е. 1.0г). При чем, разница влияния тем выше, чем меньший удел Na₂B₄O₇ (рис. 2).

Влияние соответствующих составляющих взаимосвязано между собой. Соответствующие составляющие (в определенном диапазоне изменений) могут взаимозаменяться (в определенных прпорциях). Например, влияние NaNO₃ на высшем уровне, при двух других составляющих на уровне высшем, увеличивает TL₁, а также и NaNO₃ на уровне нисшем при Na₂B₄O₇ на уровне нисшем и Cr₂O₃+AlNi на уровне высшем увеличивает TL₁ (рис. 4).

Смеси Na₂B₄O₇ и (Cr₂C₃ + AlNi), так же как и Na₂B₄O₇ i (Cr₂C₃ + AlNi), два раза изменяют направление влияния – приводят к снижению и повышению анализируемых параметров (рис. 3 и 4).

Анализируя первую и третью четверть (рис. 4) можно заметить, что влияние смесей на TL₁ в этих пределах изменяет направление. В этих случаях Cr₂C₃ + AlNi находится на постоянном уровне, соответственно (-1) и (+1). В первой четверти, когда удел Na₂B₄O₇ уменьшается, изменяется влияние NaNO₃ с прямопропорционального в первой половине на обратнопропорциональное в другой половине. В третьей четверти ситуация обратная, при чем удел Na₂B₄O₇ возрастает. Таким образом, содержание Na₂B₄O₇ влияет на направление влияния NaNO₃. В этом случае Cr₂C₃ + AlNi главным образом влияет только на значение TL₁, а не на направление влияния целой смеси.

Однако, когда на постоянном уровне (+1, т.е.0.5г) или (-1, т.е. 0.25г) появляется Na₂B₄O₇ доминантность направления влияния принимают остальные две составляющие (вторая и третья четверти, рис.3).

Выводы и замечания

1. Влияние эгзотермических соединении на температуру начала кристаллизации сплава АК7 зависит от их процентного содержания.

2. Наиэффективнейше изменения температур начала крыстализации сильумина AK7 можно получить используя тетраборат натрия и Na₂B₄O₇ и Cr₂C₃ + AlNi на высшем уровне а также NaNO₃ кроме 1г.

3. Самое большое понижение температуры TL₁ наблюдали при использовании сложной смеси состоящей из Na₂B₄O₇ и NaNO₃ на нисшем уровне и Cr₂O₃+AlNi кроме 2,0г.

Литература

1. Z. Poniewierki, Modyfikacja siluminów. Warszawa, WNT, 1968

2. B. Wierzbicka, M. Mitko, Wpływ warunków stygnięcia i krzepnięcia stopów Al-Si na ich mikrostrukturę. Krzepnięcie metali i stopów. PAN. 22/1995

3. T. Lipiński, Influence of modifier on base Al and Si on structure and elongation Al-7%Si alloy. Archives of Foundry Engineering, vol.8 Special Issue 3, 2008

4. T. Lipiński, Improvement of mechanical properties of AlSi7Mg alloy with fast cooling homogenous modifier Archives of Foundry Engineering nr 1, vol.8, 2008

5. S. Pietrowski, R. Władysiak, Ocena krystalizacji siluminów podeutektycznych syntetycznych metodą ATD. Krzepnięcie metali i stopów. PAN 22/1995

6. S. Borkowski, Sterowanie jakością tworzyw odlewniczych na przykładzie żeliwa. WNT Warszawa 1999

Summary

The paper presents controlability of solidification start temperature of Al-7%Si (AlSi7Mg) alloy by chemical compounds brought into liquid alloy in mixtures form giving egzothermic effect. Results by graphical form presented of influence compounds of mixture on studied temperature on w/w. Dependence of ingrediens.

А Н Н О Т А Ц И Я

УДК 621.74

ТЕМПЕРАТУРА НАЧАЛА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ СПЛАВА Аl-7%Si ПОСЛЕ ОБРОБОТКИ ЭГЗОТЕРМИЧЕСКИМИ СОЕДИНЕНИЯМИ Томаш Липиньски Сборник научных трудов членов Международной Балтийской ассоциации машиностроителей №4, 2004, с. ............

Сплав алюминия с кремнием при содержании 7%Si без модифицирования имеет крупнозернистую структуру, которая ухудшает механические свойства сплава. В работе представлено зависть влияния составляющих смеси на температуру начала кристаллизации сплава АК7ю

Рис. 4, табл. 1, лит. 6