Роль марганцю і рідкофазного оброблення електричним струмом на формування залізовмісних фаз у доевтектичних сплавах системи Al–Si–Fe–Mn: Processy litʹâ, 2020, Tom 142, №4, p.13-25

А. Г.  Пригунова

doi:10.15407/plit2020.04.013

Автор(и)

А. Г. Пригунова Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України (Київ, Україна)

DOI:

https://doi.org/10.15407/plit2020.04.013

Ключові слова:

алюміній-кремнієві сплави, залізовмісні фази, легування марганцем, оброблення розплаву однополярним імпульсним електричним струмом

Анотація

Надійшла 05.10.2020

УДК 669.2/. 8.017 : 537.3.39

У роботі розвинуто уявлення про механізм формування залізовмісних фаз і їх форми росту в доевтектичних сплавах системи Al-SI-Fe–Mn залежно від вмісту марганцю і оброблення роз плаву однополярним імпульсним електричним струмом. Дослідження проведено на базових сплавах Al–8%Si-0,9%Fe-0,3%Mn і Al-8%Si-0,9%Fe-0,5%Mn, склад яких вибрано з ураху ванням концентраційних меж кремнію, заліза і марганцю в промислових силумінах АК7, АК9, АК8М3, АК9М2 за ДСТУ 2839–94. Сплави виробляють з брухту та відходів кольорових металів і широко використовують як конструкційні матеріали в різних сферах машинобудування. Експериментально, з використанням методів гартівно-мікроструктурного, рентгеноструктурного і локального рентгеноспектрального аналізу, показано, що механізм впливу марганцю на форми росту залізовмісних фаз полягає в зміні характеру фазових перетворень при кристалізації, внаслідок чого замість голкоподібного інтерметаліду β-FeSiAl5 з моноклінною решіткою утворюється гексагональна розгалужена фаза, яку в літературних джерелах позначають як α-(Fe,Mn)3Si2Al15. Співвідношення фаз α-(Fe,Mn)3Si2Al15 і β-FeSiAl5 в сплавах і особливості їх кристалізації залежать від концентрації марганцю. При 0,3 % Mn на другому етапі кристалізації, після виділення з рідини первинних кристалів твердого розчину алюмінію, відбувається евтектичне перетворення: Р → α-(Fe,Mn)3Si2Al15 + Alα. Формування фази α-(Fe,Mn)3Si2Al15 продовжується на третій та четвертій стадіях за реакціями: Р → α-(Fe,Mn)3Si2Al15 + β-FeSiAl5 + Alα і Р → α-(Fe,Mn)3Si2Al15 + β-FeSiAl5 + Si + Alα. Ці евтектики можуть утворюватися як за механізмом кооперативного росту фаз α-(Fe,Mn)3Si2Al15, β-FeSiAl5, Si, Alα, так і внаслідок формування подвійних евтектик β-FeSiAl5 + Alα, α-(Fe,Mn)3Si2Al15 + Alα і Si +Alα, які зароджуються і зростають одночасно в одному температурному інтервалі. Причому об’ємна частка фази β-FeSiAl5 є досить значною. Підвищення концентрації марганцю до 0,5 % призводить до пригнічення реакцій, за якими утворюється β-фаза. Рентгеноструктурними дослідженнями встановлено, що інтерметалід α-(Fe,Mn)3Si2Al15 – це твердий розчин марганцю в сполуці α-Fe2SiAl8. Він має змінний склад, який, перш за все, зумовлений вмістом марганцю і заліза в сплаві, а форми його росту залежать від суми Fe + Mn в цій фазі. З підвищенням їх загальної концентрації морфологічні особливості фази змінюються в послідовності: тонкодиференційовані евтектичні кристали → крупні евтектичні кристали з потовщеними гілками → первинні кристали.
Рідкофазне оброблення однополярним імпульсним електричним струмом сплавів, легованих марганцем, приводить до суттєвих змін в мікроструктурі і фазовому складі, які значною мірою залежать від параметрів електричного струму – його густини і частоти. При оптимальних режимах оброблення фаза β-FeSiAl5, яка є головним чинником негативного впливу на механічні властивості алюмінієвих сплавів, відсутня, навіть в сплаві з 0,3 % Mn. Посилення дії марганцюобробленням розплаву електричним струмом дозволяє обмежити його концентрацію в доевтектичних силумінах до 0,2-0,3 %, з одержанням високого рівня механічних властивостей.

Біографія автора

А. Г. Пригунова, Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України (Київ, Україна)

д-р техн. наук, зав. відділу

Посилання

Prigunova A. G., Belov N. A., Taran Yu. N., Zolotorevsky V. S., Napalkov V. I., Petrov S. S. (1996). Silumins. Atlas of microstructures and fractograms of industrial alloys. Ref. ed. Moscow: MISiS,175 [in Russsian].

Ershov G. S., Bychkov Yu. B. (1979). High strength aluminum alloys from recycled materials. Moscow: Metallurgy,192 [in Russsian].

Bychkov Yu. B. (1987). The nature of secondary hypoeutectic silumins, optimization of their compositions and properties: dis. for a job. doctoral degree tech. sciences. Moscow: MISiS, 354 [in Russsian].

Seleznev L. P. (1990). Improvement of foundry aluminum alloys made from scrap and waste. Non-ferrous metallurgy, 6, 83–88 [in Russsian].

Zolotorevsky V. S., Bychkov Yu. B. (1986). On the prospects of using cast aluminum alloys from secondary raw materials instead of alloys from primary metals. Non-ferrous metals, 6, 7–10 [in Russsian].

Khudokormov D. N., Galushko A. M., Timoshenko V. P., Kostyukevich B. M. (1981). The use of secondary raw materials for the production of critical castings from silumin. Foundry, 1, 13–14 [in Russsian].

Belov N. A. Evseev Yu. V., Zolotorevsky V. S. (1988). Modification of ferrous phases in silumin of the AK5M2 type with additions of transition metals. Non-ferrous metals, 1, 68–70 [in Russsian].

Prigunova A. G. (1998). Increasing the strength and plasticity of secondary silumins by microadditives. Physics of metal and the latest technology, Vol. 20, 43–49 [in Russsian].

Prigunova A. G. (1998). The mechanism of neutralizing the harmful effect of iron in silumin with microadditives of manganese and chromium. Physics of metal and the latest technology, Vol. 20, 12, 25–32 [in Russsian].

Khudokormov D. N., Galushko A. M., Lekakh S. N. (1975). Effect of modification on the shape of inclusions of the iron-containing phase in aluminum alloys. Foundry, 5, 18–19 [in Russsian].

Mityaev A. A., Volchok I. P., Povzlo V. N., Loza K. N. (2009). Physicomechanical and corrosive properties of the intermetallic phase Al5SiFe. Starodubov readings: Sat. scientific. works. Issue 48. Part 1. Dnepropetrovsk: PGASA, 5–7 [in Russsian].

Kozhanov V. A., Alekseychuk I. S., Bychkov Yu. B. (1985). Selective effect of manganese on the form of iron-containing phases in silumin. Non-ferrous metals, 6, 84–85 [in Russsian].

Mondolfo L. F. (1979). Structure and properties of aluminum alloys: trans. from English. Moscow: Metallurgy, 640 [in English].

Taran Yu. N., Prigunova A. G., Kazimirova I. E. [and others] (1986). Modification of intermetallic phases by treatment of the melt with an electric current. Reports of the USSR Academy of Sciences, Vol. 289, 3, 668–670 [in Russsian].

Vernidub A. G., Volkov A. G., Grabovsky V. M. [and others] (2005). Processing of AK7 alloy by pulsed electric current. Casting processes, 1, 64–67 [in Russsian].

Deev V. B., Bashmakova N. V., Prikhodko O. G., Selyanin I. F. (2008). Study of the effect of electric current on the crystallization of aluminum alloys with different iron content. Polzunovsky almanac, 3, 77–81 [in Russsian].

Borisov G. P., Tsurkin V. N., Sinchuk A. V., Ivanov A. V. (2010). On high-voltage electrical pulse processing of the melt. Metallurgy of mechanical engineering, 5, 33–40 [in Russsian].

Prigunova A. G. Petrov S. S. Prigunov S. V. (2017). Structural and phase transformation in preindustrial alloys of the Al-Si-Fe system, chipped in a rare mill by a unipolar impulse electric strum. Metal Scienct and Treatment of Metals, 2 (82), 20–25 [in Ukrainian].

Prigunova A. G. Zelinskaya G. M., Koshelev M. V. (2019). Features of crystallization and evolution of the structure of the iron-containing phases of the AK5M2 alloy during the processing of the melt with a pulsed electric current. Casting processes, 4 (136), 20–34 [in Russsian].

Saltykov S. A. (1976). Stereometric metallography. Moscow: Metallurgy, 272 [in Russsian].

Prigunova A. G., Bulik V. I., Shenevidko L. K., Koshelev M. V. (2020). Preliminary phase transformation during crystallization of aluminum alloys by the method of gantry-microstructural analysis. Casting processes, 3 (141), 27–41 [in Ukrainian].

Petrov S. S., Prigunov S. V., Prigunova A. G., Klushnik D. N. Patent for vinakhid 101208 Ukraine, MKI С22В9/00. Method for the production of silumin / declared 11.02.2011, publ. 03/11/2013, Bul. No. 5 [in Ukrainian].

Taran Yu. N., Prigunova A. G., Zamyatin V. M. [and etc.] (1987). The influence of external influences on the nature of the viscosity polytherms of liquid complexly alloyed silumins. Izv. University. Non-ferrous metallurgy, 4, 82–85 [in Russsian].

Taran Yu. N., Prigunova A. G., Galchak V. P., Petrov S .S. [and others] (1987). Effect of electric current on structural transformations in complex alloyed aluminum-silicon melts. Melts. Vol. 1. Issue. 4, 111–116. [in Russsian].