У попередніх дослідженнях [1-7] було проведено оптимізацію параметрів лиття алюмінієвих трубних заготовок у кокіль, але через обмежений обсяг статті не було опубліковано частину результатів експериментальних досліджень. результати. Тому, дана стаття присвячена висвітленню результатів впливу вібрації на структуру і механічні властивості трубних заготовок зі сплаву АМг6 при литті у кокіль гравітаційним методом.

Матеріалом для лиття є пруток зі сплаву АМг6. Структура прутка АМг6, який був використаний в якості шихтового матеріалу для переплаву при проведенні досліджень, є типовою для металу, який пройшов термічну обробку і деформування. У роботі використано методи оптичної мікроскопії, механічні випробування, статистичні методи обробляння та аналізу отриманих результатів, у тому числі стандартні методи [8-10].

Дослідження проведено за планом експерименту наведеним у табл. 1.

Таблиця 1 – План експерименту

Структура прутка АМг6 складалась зі зерен α-твердого розчину Al, вкраплень евтектичної фази β(Al₂Mg₃) темно-сірого забарвлення, Al₆(MnFe) – світло-сірих кристалів і чорних вкраплень Mg₂Si (рис. 1, а). У поперековому перерізі прутка виявлено характерні зони – центральну і поверхневу. Центральна зона мала зерна з середнім розміром 60 мкм, вкраплень других фаз розміром 5 мкм у кількості 90% від загального числа і решти розміром від 5 до 20 мкм. Поверхнева зона характеризувалась зернами з середнім розміром 30 мкм і вкрапленнями з розміром 1…30 мкм (рис. 1, б). Переважна кількість вкраплень других фаз мала розміри 1…3 мкм. Через вельми дрібний розмір ідентифікація типу фаз за кольором була ускладнена. Найбільші вкраплення 10…30 мкм представляли фазу β(Al₂Mg₃).

а                                                         б

Рис. 1. Структура прутка зі сплаву АМг6 (травлено): а – структура центральної частини, б – структура поверхневої частини

Після лиття у кокіль структура сплаву АМг6 у експерименті 1 була типовою для металу, що був отриманий зі суттєво неоднорідного розплаву при низький швидкості охолодження. В основі сплаву спостерігались зони з неоднорідним середнім розміром зерна, що певно було пов’язано з нерівномірним розподілом модифікатора і недостатнім рівнем перемішування розплаву при плавці. На рис. 2, а представлена зона сплаву в якій середній розмір зерен основи складав 450 мкм. Зона сплаву, показана на рис. 2, б характеризувалась середнім розміром зерен 700 мкм. Для цих зон також було характерним неоднорідне розподілення фаз. Так, фаза β(Al₂Mg₃) утворювала скупчення (див. рис. 2, а), або була розосереджена у міжзереному об’ємі (рис. 2, б). Кристали Al₆(MnFe) у значно більшій кількості спостерігались у зоні рис. 2, а, ніж рис. 2, б, де було зафіксовано лише одиничне вкраплення такого типу. Розмір кристалів Al₆(MnFe) відповідав діапазону 30…100 мкм при переважній кількості вкраплень, що мали розміри 100 мкм. Особливостей розподілу фази Mg₂Si, яка мала розгалужену форму не зафіксовано. В сплаві експерименту 1 також сформувались зони з рівномірним розподілом фаз. В таких зонах середній розмір зерна складав 550 мкм, кристалів Al₆(MnFe) – 50 мкм, об’єми між зернами основи сплаву, зайняті фазою β(Al₂Mg₃) були рівномірно розосереджені і мали розміри до 4 разів менші, ніж у зонах, де вона утворювала скупчення (рис. 2, в і рис. 2, а). Виходячи з розміру дендритів основи сплаву швидкість охолодження, оцінена за даними [8] була ~ 10^-2 К/с.

Рис. 2. Структура сплаву АМг6 експерименту 1 (травлено): а – зона зі скупченням евтектичної фази β(Al₂Mg₃) і кристалів Al₆(MnFe); б – зона, збіднена на виділення других фаз; в – зона з рівномірним розподілом фаз

У експерименті 2, порівняно з експериментом 1, метал характеризувався значно дрібнішими і рівномірно розподіленими фазами. Середній розмір зерен         α-твердого розчину Al скоротився до 100 мкм. Фаза β(Al₂Mg₃) була розосереджена у міжзереному об’ємі у вигляді нерівномірної сітки, але без утворення скупчень. Вкраплення Al₆(MnFe) набули пластинчастого вигляду (рис. 3, а). Зміна режиму плавки у експерименті 3 з вібрацією забезпечила також подрібнення частини вкраплень цієї фази.

Рис. 3. Структура сплаву АМг6 (експеримент 2, травлено): а – фази в сплаві, б – трансформація форми вкраплень Al₆(MnFe) від кристалічної до пластинчастої; 1 – вкраплення Al₆(MnFe), що мають частини з огранкою, 2 – пластинчасте вкраплення, 3 – скупчення дисперсних пластинчастих вкраплень Al₆(MnFe)

На рис. 3, б зафіксовано трансформацію форми фази Al₆(MnFe) від кристалічної до пластинчастої і утворення скупчення її дисперсних вкраплень з розміром 10 мкм. Ідентифікація фази Mg₂Si була ускладнена через її подрібнення, вірогідно ця фаза утворювала точкові вкраплення. Такі зміни в структурі є характерними для металу, отриманому з однорідного розплаву, охолодженому з більшою швидкістю (~ 10 К/с).

Під впливом вібрації відбулось подрібнення структурних складових в сплаві АМг6 порівняно з металом у експериментах 1 і 2. Середній розмір зерна сплаву становив 60 мкм. Фаза β(Al₂Mg₃) розташовувалась у міжзереному об’ємі у вигляді однорідної сітки. Включення Mg₂Si мали форму аналогічну плавці 1 при 1,5 рази скороченому розмірі. Вкраплення Al₆(MnFe) стали дрібними і розсіяними аналогічно металу шихти, який проходив термічну і деформаційну обробку (рис. 4).

Рис. 4. Структура сплаву АМг6 (експеримент 3) із застосуванням вібрації (травлено): а – зерна сплаву, б – фази сплаву

Виявлено зовсім інший характер структури зливків, які сформувалися під впливом вібрації (параметри вібрації в цих дослідженнях мали такі значення: амплітуда А = 0,2 мм; частота 60 Гц). Такі зміни в структурі зливків під впливом вібрації пов’язані з тим, що при накладенні пружних хвиль на метал, відбувається примусове його перемішування, відбувається миттєва зміна сил в обсязі розплаву, що обумовлює виникнення великих градієнтів тисків. В результаті суттєво змінюються параметри процесу кристалізації металу (швидкість утворення зародків твердої фази та лінійна швидкість їх зростання), відбувається механічне руйнування дендритів на фронті затвердіння та в обсязі розплаву, що призводить до суттєвих змін у структурі металів та сплавів.

Визначення твердості відлитих зразків за Брінеллем проведено згідно [9]. За отриманими даними твердості досліджуваних зразків розраховано межу міцності, згідно [10]. В табл. 2 наведені розраховані за (1) значення межі міцності для досліджуваних зразків.

Таблиця 2 – Межі міцності для досліджуваних зразків

Висновки:

1. Виявлено, що перегрів розплаву та форми і повільне охолодження виливка у формі призводить до формування грубої неоднорідної структури металу. Режим плавки з вібрацією в комплексі з подальшим охолодженням дозволяє подрібнити зерна основи сплаву в ~5 разів, фазу Mg₂Si до 10 разів, перевести фазу Al₆(MnFe) з форми кристалів, що мали огранку у пластинчасту форму з подальшим подрібненням частини вкраплень до 10 разів, а також запобігти утворенню скупчень евтектичної фази β(Al₂Mg₃).

2. Виявлено, що зниження температури перегріву розплаву АМг6 на 7% перед заливанням у форму з 750 до 700 °С призводить до подрібнення макрозерна у виливку.

3. Виявлено, що застосування вібрації забезпечило подрібнення зерна сплаву у 1,7 рази в порівнянні з плавкою без вібрації, рівномірно розосередити фазу β(Al₂Mg₃) у міжзереному об’ємі (в ~ 2 рази), подрібнити фазу Mg₂Si в 2 рази порівняно з експериментом 1, подрібнити до 10 разів і розосередити фазу Al₆(MnFe) порівняно з обома плавками. В результаті найдрібніші зерна, найбільш однорідний розподіл фази β(Al₂Mg₃) і найдисперсніші вкраплення Al₆(MnFe) сформувались в результаті застосування вібрації, а найбільше подрібнення фази Mg₂Si досягається в металі при послідуючому охолодженні.

Література:

1. Обґрунтування вибору раціонального методу лиття обичайок з алюмінієвих сплавів, що деформуються / А.В. Ноговицин, В.П. Школяренко та ін. // Процеси лиття №2. 2021р. С.31-36 https://doi.org/10.15407/plit2021.02.031

2. Вибір раціонального методу лиття обичайок з алюмінієвих сплавів, що деформуються / О.В.Ноговіцин, В.П.Школяренко та інші. // Матеріали XVII Міжнародної науково-практичної конференції «Литво. Металургія. 2021». С.154-156. https://nmetau.edu.ua/file/lite._metallurgiya._2021.pdf

3. А.С. Нурадинов, А.Г. Пригунова, В.Ю. Шейгам, А.Г. Вернидуб, И.А. Нурадинов. Физические методы управления формированием структуры металлов. Металл и литье Украины. 2020. №2. С. 41-48.

4. Эльдарханов А.С., Нурадинов А.С., Ахтаев С.С-С., Саипова Л.Х-А. Влияние внешних термо-силовых воздействий на формирование структуры литых заготовок // Сталь. 2019. №6. С. 9-13.

5. Найдек В.Л., Эльдарханов А.С., Нурадинов А.С. и др. О механизме воздействия вибрации на кристаллизацию и структурообразование сплавов // Литейное производство. 2003. №9. С. 13-15.

6. Ефимов В.А., Эльдарханов А.С., Нурадинов А.С.  Влияние вибрации на межфазный переход расплава в кристаллическую структуру слитков // Материаловедение. 2003. №3. С. 36-38.

7. Нурадинов А.С. Измельчение структуры затвердевающего сплава в условиях низкочастотной вибрации // Процессы литья. 2008. №4. С.49-55.

8. Белов А.Ф., Бочвар А.А. Металловедение и обработка цветных сплавов, Москва: Наука, 1992, 229 с.

9. ДСТУ EN ISO 6506-1:2019 (EN ISO 6506-1:2014, IDT; ISO 6506-1:2014, IDT) Матеріали металеві. Випробування на твердість по Брінеллю. Частина 1. Метод випробування. 16 с.

10. Натапов Б. С. Металловедение. Москва: Металлургиздат, 1956. – 344 с.