Модифицирование силуминов

Модифицирование силуминов

Развитие модифицирования началось фактически с мо­дифицирования силуминов, что позволило существенно повы­сить механические свойства (прочность, твердость, удлинение) отливок, в т.ч. предел прочности при растяжении в 1,14...1,55 раза и относительное удлинение в 2,2-6,5 раз. Существуют сле­дующие теории модифицирования силуминов:

• происходит торможение роста зарождающихся кристаллов жидкой фазой (натрий), адсорбирующейся на их поверхности. Отмеченная теория является приоритетной;
• кристаллизация силумина проходит коллоидальную стадию с очень малым размером частиц твердой фазы. Добавка модификатора устраняет процесс коалесценции (укрупнения) частиц, тем самым обеспечивается получение мелкозернистой структуры.

Экспериментально было установлено снижение температу­ры эвтектического превращения при модифицировании (эффект переохлаждения). Модификаторы Na и К являются для силуми­на поверхностно-активными веществами, снижающими поверх­ностное натяжение на поверхности кристалл-жидкость и работу образования зародышей, адсорбируются на поверхности раздела, затрудняют диффузию и тормозят рост кристаллов кремния. Снижение поверхностного натяжения и работы образования за­родышей должно было бы уменьшать переохлаждение. Заметное повышение переохлаждения при модифицировании натрием или калием связывают с повышением вязкости модифицированного расплава, лимитирующим диффузию атомов кристаллизующего­ся вещества и снижающим скорость роста кристаллов.

Качественно ускорение охлаждения и кристаллизации так­же способствует измельчению выпадающих кристаллов крем­ния, т.к. при быстром охлаждении уменьшается время диффузии к поверхности растущих кристаллов. Отмеченное вытекает и из решений Тиллера и Джексона, приведенных выше. Возвращаясь к этим решениям, отметим, что поверхностно-активные элемен­ты снижают константу В, пропорциональную межфазному на­тяжению на границе кристалл - расплав. Это способствует из­мельчению эвтектики. Константа А обратно пропорциональна скорости диффузии кремния в эвтектике. Модификаторы, осо­бенно натрий, сильно уменьшают коэффициент диффузии крем­ния в алюминии и соответственно увеличивают константу А. Следовательно, модифицирование силуминов происходит пре­имущественно по диффузионному механизму, поскольку кон­станта В уменьшается только в 2...2,5 раза, а константа А увели­чивается при этом в 6...22 раза. За счет перехода от литья в песчаную форму к литью в кокиль повышали предел прочности си­лумина на растяжение в 1,55 раза, а относительное удлинение в 1,8 раза. Вместе с тем модифицирование добавками обеспечива­ет более сильный эффект измельчения структуры и повышения пластичности.

Применительно к силуминам следует учитывать различия теплофизических свойств компонентов эвтектики - алюминия и кремния. При медленном охлаждении скорости роста кристал­лов алюминия и кремния отличаются незначительно и выраста­ют грубые кристаллы кремния, снижающие механические свой­ства отливки. При быстром охлаждении проявляется различие теплофизических свойств (у кремния теплопроводность ниже в 2,6 раза, теплота затвердевания выше в 3,5 раза). Это приводит к ускоренному росту кристаллов алюминия, которые обгоняют кристаллы кремния, окружают их ободками и тем самым обес­печивают уменьшение их размеров.