Влияние дисперсных частиц SiC на структуру заэвтектического силумина А390

Представлены результаты металлографического и рентгеноструктурного анализов промышленных микрошлифпорошков карбида кремния (зеленого и черного), которые являются смесями двух политипов химического соединения SiC: изоморфного по отношению к кубической кристаллической решетке кремния β-SiC и неизоморф...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Процессы литья
Дата:	2013
Автори:	Синчук, А.В., Цуркин, В.Н., Федченко, Н.А., Дмитришина, Я.Ю.
Формат:	Стаття
Мова:	Російська
Опубліковано:	Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України 2013
Теми:	Кристаллизация и структурообразование сплавов
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/140521
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Влияние дисперсных частиц SiC на структуру заэвтектического силумина А390 / А.В. Синчук, В.Н. Цуркин, Н.А. Федченко, Я.Ю. Дмитришина // Процессы литья. — 2013. — № 3. — С. 25-33. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859881562260111360
author	Синчук, А.В. Цуркин, В.Н. Федченко, Н.А. Дмитришина, Я.Ю.
author_facet	Синчук, А.В. Цуркин, В.Н. Федченко, Н.А. Дмитришина, Я.Ю.
citation_txt	Влияние дисперсных частиц SiC на структуру заэвтектического силумина А390 / А.В. Синчук, В.Н. Цуркин, Н.А. Федченко, Я.Ю. Дмитришина // Процессы литья. — 2013. — № 3. — С. 25-33. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Процессы литья
description	Представлены результаты металлографического и рентгеноструктурного анализов промышленных микрошлифпорошков карбида кремния (зеленого и черного), которые являются смесями двух политипов химического соединения SiC: изоморфного по отношению к кубической кристаллической решетке кремния β-SiC и неизоморфного α-SiC – с гексагональной решеткой. Показано, что склонность к образованию сегрегаций и распределение дисперсных частиц SiC в лигатуре зависят от структуры матричного сплава. В заэвтектическом сплаве А390 после модифицирования частицами SiC первичный кремний измельчен до размеров 20 мкм, включения эвтектического кремния – до 5 мкм и менее. Наведено результати металографічного і рентгеноструктурного аналізів промислових мікрошліфпорошків карбіду кремнію (зеленого і чорного), які є сумішами двох політипів хімічної сполуки SiC: ізоморфного стосовно кубічної кристалічної ґратки кремнію β-SiC і неізоморфного α-SiC – з гексагональною ґраткою. Показано, що схильність до утворення сегрегацій і розподіл дисперсних часток SiC в лігатурі залежать від структури матричного сплаву. В заевтектичному сплаві А390 після модифікування частками SiC первинний кремній подрібнено до 20 мкм, включення евтектичного кремнію – до 5 мкм і менше. The results of metallographic and of X-ray analysis of industrial micro polishing carbide silicon powder (green and black), which are the mixture of two polytipes of SiC chemical composition: β-SiC – isomorphous to silicon cubic crystalline lattice and α- SiC nonisomorphous with hexagonal lattice, are presented. It is shown that ability to segregate and distribution of micro SiC particles in master alloy depends on structures of the matrix alloy. In hypereutectic A390 alloy after refinement with SiC particles the primary silicon crushed down to 20 μm, the inclusions of eutectic silicon down to 5 μm and less.
first_indexed	2025-12-07T15:52:46Z
format	Article
fulltext	ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2013. № 3 (99) 25 КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ И СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ СПЛАВОВ УДК 621.745:669.714:516.4 А. В. Синчук, В. Н. Цуркин, Н. А. Федченко, Я. Ю. Дмитришина Институт импульсных процессов и технологий НАН Украины, Николаев ВЛИЯНИЕ ДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ SiC НА СТРУКТУРУ ЗАЭВТЕКТИЧЕСКОГО СИЛУМИНА А390 Представлены результаты металлографического и рентгеноструктурного анализов промышленных микрошлифпорошков карбида кремния (зеленого и черного), которые являются смесями двух политипов химического соединения SiC: изоморфного по отно- шению к кубической кристаллической решетке кремния β-SiC и неизоморфного α-SiC – с гексагональной решеткой. Показано, что склонность к образованию сегрегаций и распределение дисперсных частиц SiC в лигатуре зависят от структуры матричного сплава. В заэвтектическом сплаве А390 после модифицирования частицами SiC первич- ный кремний измельчен до размеров 20 мкм, включения эвтектического кремния – до 5 мкм и менее. Ключевые слова: заэвтектический силумин, первичный кремний, лигатура, силикокар- бид, дисперсные частицы. Наведено результати металографічного і рентгеноструктурного аналізів промислових мікрошліфпорошків карбіду кремнію (зеленого і чорного), які є сумішами двох політипів хімічної сполуки SiC: ізоморфного стосовно кубічної кристалічної ґратки кремнію β-SiC і неізоморфного α-SiC – з гексагональною ґраткою. Показано, що схильність до утворення сегрегацій і розподіл дисперсних часток SiC в лігатурі залежать від структури матрично- го сплаву. В заевтектичному сплаві А390 після модифікування частками SiC первинний кремній подрібнено до 20 мкм, включення евтектичного кремнію – до 5 мкм і менше. Ключові слова: заевтектичний силумін, первинний кремній, лігатура, силікокарбід, дисперсні частки. The results of metallographic and of X-ray analysis of industrial micro polishing carbide silicon powder (green and black), which are the mixture of two polytipes of SiC chemical composition: β-SiC – isomorphous to silicon cubic crystalline lattice and α- SiC nonisomorphous with hexagonal lattice, are presented. It is shown that ability to segregate and distribution of micro SiC particles in master alloy depends on structures of the matrix alloy. In hypereutectic A390 alloy after refine- ment with SiC particles the primary silicon crushed down to 20 µm, the inclusions of eutectic silicon down to 5 µm and less. Keywords: hypereutectic silumin; primary silicon; master alloy; silicon carbide; dispersed particles. 26 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2013. № 3 (99) Кристаллизация и структурообразование сплавов Введение Не будет преувеличением сказать, что поршень – наиболее ответственная и специфичная деталь в современном двигателе. Анализ мировых тенденций производства поршней выделяет силумины с высоким содержанием кремния, потребление которых для изготовления тяжелонагруженных автодеталей растет в связи с тем, что они характеризуются сравнительно меньшим, чем у сплавов чисто эвтектического состава, коэффициентом теплового линейного расширения (17,5-18,5).10-6 К-1, повышенным до 86,0 ГПа модулем упругости, хорошей износостойкостью и жаропрочностью [1]. Главный недостаток заэвтектических силуминов – низкие механические свойства, в частности, почти нулевое относительное удлинение (этот показатель четко не регламентируется ДСТУ 1583-93), обусловленные наличием в структуре крупных полиэдрических кристаллов первичного кремния, грубых пластинчатых выделений кремния в эвтектике и хрупких иглообразных Fe-фаз. Для того чтобы повысить качество этих сплавов, необходимо при помощи модифицирования обеспечить ряд установленных исследователями условий: размер частиц первичного кремния в сплаве не должен превышать 20 мкм, частиц эвтектического кремния – 10 мкм, Fe-фазы должны иметь компактную морфологию. До сих пор основным модификатором для заэвтектических силуминов считает- ся фосфор, который легко вводится в расплав в виде тройных лигатур или более сложных композиций. Первоначально этот элемент был отнесен к модификаторам поверхностно-активного действия [2]. Сегодня же большая часть исследователей (например, [3, 4]) модифицирующее действие фосфора на кристаллы первичного кремния склонна объяснять образованием в расплаве тугоплавких частиц фосфида алюминия AlР со сходными с кремнием параметрами кубической кристаллической решетки. Но несмотря на успехи, достигнутые в понимании ключевых механизмов модифицирования фосфора и совершенствования технологических приемов его введения в расплав, проблема измельчения кристаллов первичного кремния до желаемых 20 мкм и подавления негативного влияния фосфора на структуру эвтек- тики остается нерешенной. Очевидно, что для разрешения этой проблемы в кратчайшие сроки необходимы новые радикальные методы, вполне возможно, отвлеченные от традиционных подхо- дов к модифицированию заэвтектических силуминов, например, введение в расплав различных дисперсных компонентов (наночастиц, дисперсных карбидов, оксидов, нитридов и т. д.), которое все шире практикуется в исследовательской среде [5, 6]. Цель данной работы – оценить степень влияния дисперсных частиц силикокар- бида SiC на модифицирование структуры заэвтектических силуминов. Анализ исходного порошка. На наш взгляд, доминируют три причины, по которым это доступное химическое соединение, безопасное (в отличие от фосфорсодержа- щих модификаторов) и благополучно используемое для приготовления металлома- тричных композитов [7, 8] , до сих пор не вызывало интерес как модификатор II рода. • Для того чтобы выполнять зародышеобразующую функцию, частицы SiC долж- ны иметь размеры не более 1-5 мкм. На сегодняшний день благодаря развитию способов получения ультра- и наноразмерных порошков такой мелкодисперсный силикокарбид не является дефицитом. • Частицы таких тугоплавких соединений, как SiC, не смачиваются жидким алюминием. Чем мельче частицы, тем меньше диаметр пор, тем выше капиллярное противодавление, препятствующее проникновению металла матрицы в поры. Эта проблема сегодня также решаема, например, путем введения дисперсных частиц в гетерофазный расплав или использования предварительно спеченных порошковых композиций. • Изоморфной по отношению к кристаллам первичного кремния является ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2013. № 3 (99) 27 Кристаллизация и структурообразование сплавов только бета-модификация β-SiC с кристаллической структурой типа цинковой об- манки (аналог структуры алмаза), которая образуется при температурах ниже 1700 °C (рис. 1). Но промышленный силикокарбид абразивного назначения, который полу- чают в электропечах при температурах более 2000 °C, как правило, является альфа- карбидом α-SiC и имеет кристаллическую структуру типа вюрцита с гексагональной решеткой. Исследовали микрошлифпорошки, произведенные Запорожским абразив- ным комбинатом: зеленый карбид кремния марки С64 и черный марки С54 – оба зернистостью М7. Рентгеноструктурный анализ проводили на дифрактометре ДРОН-3, используя CuKα излучение и устанавливая шкалу прибора на 250 имп/с. На дифрактограммах, практически схожих для обоих порошков (рис. 2), наряду с пиками, соответствующими β-SiC, присутствует много пиков, соответствующих гексагональной модификации с параметрами решетки а = 0,3113 нм и с = 1,006 нм. а б а Рис. 1. Элементарные ячейки: а – кремний; б – β-SiC β β β β α α α Рис. 2. Дифрактограммы микропорошка SiC 28 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2013. № 3 (99) Кристаллизация и структурообразование сплавов Кроме того, есть отражения, принадлежащие другим фазам, скорее всего, SiО и С, которые трудно интерпретировать. Таким образом, исходный промышленный микропорошок силикокарбида, регламентируемыми характеристиками которого в соответствии с ГОСТом 26327-84 являются зернистость и массовая доля приме- сей (которая определяет цвет силикокарбида), представляет собой многофазную смесь. Эффективность использования такого порошка в качестве модификатора зародышеобразующего действия, действительно, может быть сомнительной. В таблице указаны физические характеристики, сопоставление которых дает возможность прогнозировать термодинамические условия зарождения кристаллов кремния в силумине в присутствии частиц SiC. Помечая индексом «SiC» характери- стики, относящиеся к частицам SiC, индексом «Al» – характеристики, относящиеся к матричному расплаву, и используя справочные данные работ [9, 10], рассчитывали физические характеристики заэвтектического сплава Al-18 % Si с массовой долей введенного SiC, равной 1 % (помечены индексом «м»): SiC SiC SiC SiC Al Al м м (1 ) ; V c V c c ρ + − ρ = ρ Al SiC SiC Al SiC м Al Al SiC SiC Al SiC 2 2 ( ) ; 2 ( ) V V λ + λ − λ − λ λ = λ λ + λ + λ − λ м SiC SiC SiC Al(1 ) ,V Vρ = ρ + − ρ где с − удельная теплоемкость, Дж/(кг . К); λ − теплопроводность, Вт/(м . К); ρ − плотность, кг/м3; VSiC – объемная доля частиц SiC. Из таблицы видно, что теплофизические характеристики (теплопроводность и удельная теплоемкость) различны для сплава, основными элементами которого являются алюминий и частицы SiC. Точнее, частицы SiC имеют более низкую теплопроводность и более высокую удельную теплоемкость, чем алюминиевая матрица и кристаллы кремния. Как следствие, во время кристаллизации локальная температура частиц SiC должна быть выше температуры первичных кристаллов кремния и, тем более, локальной температуры жидкой матрицы. То есть вероятность зарождения кристаллов кремния на поверхностях частиц SiC с точки зрения реализации необходимых термодинамических условий очень низкая. Проверяя выполнение принципа Данкова-Конобеевского, следует отметить, что бета-модификация β-SiC с кристаллической структурой типа цинковой обманки имеет период решетки 0,436 нм. При этом разница с периодом решетки кристаллического кремния составляет 12,7 %, что также указывает на меньшую модифицирующую способность SiC по сравнению с фосфором (напомним, что разница между периодом решетки кремния и фосфида AlР практически нулевая). Исключение составляют плоскости кремния и SiC с малыми Физические характеристики системы Al-Si-SiC Характеристика Al-18 % Si (твердый) Al-18 % Si (расплав) SiС Si (Al-18 % Si)+ 1%SiС λ , Вт/(м · К) 142 94 25 52 93 с , Дж/(кг · К) 938 1080 1300 866 1083 ρ , кг/м3 2650 2385 3200 2314 2393 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2013. № 3 (99) 29 Кристаллизация и структурообразование сплавов кристаллографическими индексами: (111) Si // (001) SiC; [011] Si // [112 ] SiC. Межплоскостные расстояния по ним для кремния и SiC отличаются всего на 5 %. Но так как вводимые в расплав частицы SiC являются поликристаллическими и не все из них могут быть огранены этими плоскостями, вероятность зародышеобразования повысится, если частица будет мелкой (до 5 мкм) и с развитой поверхностью. Металлографический анализ и анализ изображений в программе Image Pro Plus показали, что средний размер частиц зеленого SiC составляет 5,8 мкм, черного SiC – 10 мкм, а среднее соотношение размеров в двух взаимно перпендикулярных направлениях x/y = 1,5, то есть частицы являются достаточно мелкими и имеют преимущественно овальную форму (рис. 3). a б Ко ли че ст во ч ас ти ц, ш т Aspect O b j e c t s 2 4 6 8 10 0 100 200 300 400 500 x/y 500 400 300 200 100 0 2 4 x/y К о ли че ст во ч ас ти ц , ш т Diameter (mean) O b j e c t s 10 20 0 100 200 К о ли че ст во ч ас ти ц , ш т 200 100 0 10 20 Размер, мкм в г Diameter (mean) O b j e c t s 10 20 0 10 20 30 40 50 Ко ли че ст во ч ас ти ц, ш т Размер, мкм 50 40 30 20 10 0 10 К о ли че ст во ч ас ти ц , ш т Размер, мкм Aspect O b j e c t s 2 4 6 0 100 200 300 400 500 600 700 800 К о ли че ст во ч ас ти ц , ш т 800 700 600 500 400 300 200 100 0 2 x/y д е Рис. 3. Характеристики карбида кремния: а-в – зеленый SiC; г-е – черный SiC 32 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2013. № 3 (99) Кристаллизация и структурообразование сплавов 1% от массы расплава в тигле. После расплавления один из тиглей (тигель 1) извлекали из печи, охлаждали до температуры 720 оС и разливали в формы. В два других тигля (тигли 2 и 3) добавляли лигатуру и для более полного усвоения модификатора расплав в течение 30 с перемешивали мешалкой. Затем один из тиглей (тигель 2) сразу же извлекали из печи и после охлаждения до 720 оС расплав разливали в формы, а последний тигель (тигель 3) выдерживали в печи еще в течение 30 мин, затем по достижению температуры заливки также разливали в формы. Итак, сплав, полученный из тигля 1, – контрольный, без модифицирования сплав А390; сплав из тигля 2 – модифицирован- ный частицами SiC без выдержки распла- ва; сплав из тигля 3 – модифицированный с произведенной выдержкой расплава на усвоение лигатуры. На рис. 6 представле- на микроструктура сплава А390 (диаметр образцов составлял 20 мм), которая по- зволяет сделать выводы об эффективности примененной обработки. Средний размер кристаллов первичного кремния в немо- дифицированном сплаве составляет около 65 мкм (рис. 6, а). После модифицирова- ния расплава SiC, произведенного без вы- держки расплава, наблюдается измельчение кристаллов до размеров 30-40 мкм (рис. 6, б). Вместе с тем видно, что в сплаве присут- ствуют вкрапленные в эвтектику скопления частиц модификатора размером до 15 мкм, не успевшие за короткое время распреде- литься по объему, и незадействованные в кристаллизационном процессе. 30-минут- ная выдержка расплава после модифици- рования (рис. 6, в) обеспечила практиче- ски полное рассасывание сегрегаций SiC и желаемый размер кристаллов первичного кремния, не превышающий 20 мкм. Но определенное количество отдельных ми- кропорошинок, по-видимому, являясь частицами неизоморфной по отношению к кристаллам кремния частицами фазы α-SiC, все же остается. Положительное же влияние SiC на структуру эвтектики однозначно: к примеру, размер включений эв- тектического кремния в сплаве после выдержки не превышает 5 мкм. Выводы Таким образом, ультрадисперсный SiC оказывает достаточно ощутимый модифицирующий эффект на структуру заэвтектического силумина. В качестве оптимального способа введения несмачиваемых алюминием микронных частиц в расплав может быть предложено предварительное приготовление на основе того же заэвтектического силумина лигатуры, структура которой является прообразом Рис. 6. Структура сплава А390: а – не- модифицированный; б – модифициро- вание 1 % SiC без выдержки расплава; в – модифицирование 1 % SiC с после- дующей 30-минутной выдержкой а б в
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-140521
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	0235-5884
language	Russian
last_indexed	2025-12-07T15:52:46Z
publishDate	2013
publisher	Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
record_format	dspace
spelling	Синчук, А.В. Цуркин, В.Н. Федченко, Н.А. Дмитришина, Я.Ю. 2018-07-09T18:42:26Z 2018-07-09T18:42:26Z 2013 Влияние дисперсных частиц SiC на структуру заэвтектического силумина А390 / А.В. Синчук, В.Н. Цуркин, Н.А. Федченко, Я.Ю. Дмитришина // Процессы литья. — 2013. — № 3. — С. 25-33. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 0235-5884 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/140521 621.745:669.714:516.4 Представлены результаты металлографического и рентгеноструктурного анализов промышленных микрошлифпорошков карбида кремния (зеленого и черного), которые являются смесями двух политипов химического соединения SiC: изоморфного по отношению к кубической кристаллической решетке кремния β-SiC и неизоморфного α-SiC – с гексагональной решеткой. Показано, что склонность к образованию сегрегаций и распределение дисперсных частиц SiC в лигатуре зависят от структуры матричного сплава. В заэвтектическом сплаве А390 после модифицирования частицами SiC первичный кремний измельчен до размеров 20 мкм, включения эвтектического кремния – до 5 мкм и менее. Наведено результати металографічного і рентгеноструктурного аналізів промислових мікрошліфпорошків карбіду кремнію (зеленого і чорного), які є сумішами двох політипів хімічної сполуки SiC: ізоморфного стосовно кубічної кристалічної ґратки кремнію β-SiC і неізоморфного α-SiC – з гексагональною ґраткою. Показано, що схильність до утворення сегрегацій і розподіл дисперсних часток SiC в лігатурі залежать від структури матричного сплаву. В заевтектичному сплаві А390 після модифікування частками SiC первинний кремній подрібнено до 20 мкм, включення евтектичного кремнію – до 5 мкм і менше. The results of metallographic and of X-ray analysis of industrial micro polishing carbide silicon powder (green and black), which are the mixture of two polytipes of SiC chemical composition: β-SiC – isomorphous to silicon cubic crystalline lattice and α- SiC nonisomorphous with hexagonal lattice, are presented. It is shown that ability to segregate and distribution of micro SiC particles in master alloy depends on structures of the matrix alloy. In hypereutectic A390 alloy after refinement with SiC particles the primary silicon crushed down to 20 μm, the inclusions of eutectic silicon down to 5 μm and less. ru Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України Процессы литья Кристаллизация и структурообразование сплавов Влияние дисперсных частиц SiC на структуру заэвтектического силумина А390 Article published earlier
spellingShingle	Влияние дисперсных частиц SiC на структуру заэвтектического силумина А390 Синчук, А.В. Цуркин, В.Н. Федченко, Н.А. Дмитришина, Я.Ю. Кристаллизация и структурообразование сплавов
title	Влияние дисперсных частиц SiC на структуру заэвтектического силумина А390
title_full	Влияние дисперсных частиц SiC на структуру заэвтектического силумина А390
title_fullStr	Влияние дисперсных частиц SiC на структуру заэвтектического силумина А390
title_full_unstemmed	Влияние дисперсных частиц SiC на структуру заэвтектического силумина А390
title_short	Влияние дисперсных частиц SiC на структуру заэвтектического силумина А390
title_sort	влияние дисперсных частиц sic на структуру заэвтектического силумина а390
topic	Кристаллизация и структурообразование сплавов
topic_facet	Кристаллизация и структурообразование сплавов
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/140521
work_keys_str_mv	AT sinčukav vliâniedispersnyhčasticsicnastrukturuzaévtektičeskogosiluminaa390 AT curkinvn vliâniedispersnyhčasticsicnastrukturuzaévtektičeskogosiluminaa390 AT fedčenkona vliâniedispersnyhčasticsicnastrukturuzaévtektičeskogosiluminaa390 AT dmitrišinaâû vliâniedispersnyhčasticsicnastrukturuzaévtektičeskogosiluminaa390

Влияние дисперсных частиц SiC на структуру заэвтектического силумина А390

Репозитарії

Схожі ресурси