Керування структуроутворенням та рівнем механічних властивостей ливарних сплавів системи al-mg-zn

При збільшенні швидкості охолодження з 0, 5 до 4, 5 *С/с розмір зерна алюмінієвого твердого розчину сплаву ВАЛ11 зменшується з 53 до 37 мкм., що співпадає з експериментальними даними (рис. 4, а).

Вплив швидкості охолодження на об’ємну долю нерівноважної евтектики в сплаві ВАЛ11 представлено на рис. 4, б. Розрахунковим шляхом встановлено, що зі збільшенням швидкості охолодження з 1, 5 до 4, 5 *С/с об’ємна доля евтектики зменшується в два рази, що відповідає експериментальним даним.

Для ливарних сплавів системи Al-Mg-Zn (на прикладі сплаву ВАЛ11) встановлено кількісний взаємозв’язок між розміром зерна алюмінієвого твердого розчину D та зміною параметрів кристалізації. В якості параметрів кристалізації вибрано наступні величини: 1. інтервал

метастабільності для швидкості утворення зародків (Т), С; 2. максимальне значення швидкості росту твердої фази на початковому етапі кристалізації, що відповідає ділянці з рекалісценцією на кривій охолодження сплаву ВАЛ11 –  , відн. од., де   – темп охолодження, с-1, Т-температура; 3. швидкість утворення центрів кристалізації в момент 0, 001, де  – час кристалізації що відповідає ділянці з рекалісценцією на кривій охолодження, відн. од.

Дослідження проводили при постійній температурі розплаву 710 С. Швидкість охолодження розплаву тримали постійною Vохол= 2С/с, що відповідає литву в металеву форму. Темп охолодження = (0, 550, 034) 10-2 с-1. Інші параметри, а саме максимальне переохолодження для виникнення нових центрів кристалізаці та максимальне переохолодження для лінійної швидкості росту кристалів задавали евристичним шляхом з урахуванням експериментальних даних.

Зміну величини параметрів кристалізації регулювали введенням в сплав ВАЛ11 комплексу мікродомішок вуглецю та титану за допомогою лігатури AlC0, 8Ti 0, 7.

Для перевірки розрахованих за допомогою імітаційної моделі кристалізації кількісних залежностей між параметрами кристалізації сплаву ВАЛ11 та вмістом в ньому лігатури AlC0, 8Ti 0, 7 та величини зерна сплаву ВАЛ11 від зміни параметрів кристалізації використовували експериментальні дані термічного та металографічного аналізу, а також матиматичну модель кристалізації металів та сплавів, що розроблено на кафедрі металознавства та термічної обробки інженерно-фізичного факультету НТУУ “КПІ”. За допомогою даної математичної моделі, використовуючі дані термічного аналізу, розраховували величини параметрів кристалізації сплаву ВАЛ11, що змінювались в наслідок введення в сплав домішок вуглецю та титану:

 

  (1)

  (2),   (3)

 

де V () =  – відносна кількість твердої фази, що утворилась в процесі кристалізації за час , m () – маса твердої фази, m0 – загальна маса досліджуємого металу; V () – швидкість росту твердої фази в момент ; n () – швидкість утворення центрів кристалізації в момент ; T (t) – температура сплаву в момент часу t; Tкр =T (кр) – температура початку кристалізації, що відповідає часу кр; Tтв=T (тв) – температура кінця кристалізації; Tср – температура навколишнього середовища; кр <  < тв де кр, тв – відповідно моменти початку та кінця кристалізації;   та   – де f-коефіціент тепловіддачі S- площа поверхні пробовідбірника, с – питома теплоємкість кристалізації,  – степінь чорноти поверхні пробовідбірника,  = 5, 5610-8 Дж/мк4 – постояна Стефана-Больцмана; Кv – кінетичний коефіціент, що дорівнює лінійіній швидкості росту кристалу при переохолодженні рідкого металу Т на 1 градус і на ділянці з рекалісценцією розраховується за емпіричним співвідношенням:   ;  – коефіціент, що залежить від форми зразка. Коефіціенти К1 та К2 розраховуються за допомогою даних термічного аналізу по емпіричній формулі з використанням методу найменших квадратів: Y = K1 + K2X, де

X= ; Y=  (4)

Величину параметра Т визначали безпосередньо за кривою охолодження досліджуємого сплаву (рис. 5, а) як різницю між рівноважною температурою початку кристалізації Тор та температурою ТМ, що відповідає часу М – моменту зупинки температурного росту на кривій охолодження. Значення температур T (t), Tкр, Tтв,, що входять в формули 1 та 3 для розрахунку параметрів кристалізації визначались за тією ж кривою охолодження.

Отримані величини порівнювали з розрахованими за допомогою імітаційної моделі параметрами кристалізації і робили висновки про адекватність встановлених залежностей.

З результатів досліджень наведених на рис. 6, а видно, що при збільшенні вмісту лігатури AlC0, 8Ti 0, 7 в сплаві ВАЛ11 з 0, 2 до 0, 8% спостерігається зменшення інтервалу метастабільності для швидкості утворення зародків приблизно в 2 рази.

При збільшенні вмісту лігатури AlC0, 8Ti0, 7 в сплаві ВАЛ11 з 0, 2 до 0, 4% спостерігається монотонне зменшення швидкості росту твердої фази, а в інтервалі 0, 4 – 0, 8% це зменшення

приймає найбільш швидкий характер (рис. 6, б).

Швидкість утворення центрів кристалізації стрибкоподібно збільшується при збільшенні в сплаві ВАЛ11 лігатури AlC0, 8Ti0, 7 з 0, 2 до 0, 6% і набуває максимального значення при 0, 8% (рис. 6, в).

Залежність розміру зерна алюмінієвого твердого розчину сплаву ВАЛ11 від зміни параметрів кристалізації представлено на рис. 7. Встановлено, що зменшення параметрів кристалізації T з 4 до 2 (рис. 7, а), V/ з 2, 8 до 1, 7 відн. од. (рис. 7, б) чи збільшення величини n0, 001 з 0, 4 до 16 відн. од. (рис. 7, в) призводе