cvmetИзвестия вузов. Цветная металлургияIzvestiya. Non-Ferrous Metallurgy0021-34382412-8783НИТУ МИСИС10.17073/0021-3438-2020-2-14-21cvmet-1098Research ArticleЛитейное производствоFoundryНаследственное влияние структуры шихты на плотность, газосодержание и процессы затвердевания сплава системы Al-Si-CuHereditary effect of the charge structure on Al-Si-Cu alloy density, gas content and solidification processesНикитинК. В.NikitinK. V.

Доктор технических наук, доцент, декан факультета машиностроения, металлургии и транспорта.

443100, Самара, ул. Молодогвардейская, 244.

Dr. Sci. (Tech.), Associate prof., Dean of the Faculty of mechanical engineering, metallurgy and transport, Samara State Technical University (SSTU).

443100, Samara, Molodogvardeyskaya str., 244.

kvn-6411@mail.ruНикитинВ. И.NikitinV. I.

Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой литейных и высокоэффективных технологий.

443100, Самара, ул. Молодогвардейская, 244.

Dr. Sci. (Tech.), Prof., Head of the Department of foundry and high-efficiency technologies, SSTU.

443100, Samara, Molodogvardeyskaya str., 244.

tlp@samgtu.ruТимошкинИ. Ю.TimoshkinI. Yu.

Кандидат технических наук, доцент кафедры литейных и высокоэффективных технологий.

443100, Самара, ул. Молодогвардейская, 244.

Cand. Sci. (Tech.), Associate prof., Department of foundry and high-efficiency technologies, SSTU.

443100, Samara, Molodogvardeyskaya str., 244.

ivan-mns@mail.ruСамарский государственный технический университет (СамГТУ)РоссияSamara State Technical University (SSTU)Russian Federation202022042020021421Copyright © Никитин К.В., Никитин В.И., Тимошкин И.Ю., 20202020Никитин К.В., Никитин В.И., Тимошкин И.Ю.Nikitin K.V., Nikitin V.I., Timoshkin I.Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://cvmet.misis.ru/jour/article/view/1098

Представлены результаты исследований по влиянию структуры исходных шихтовых заготовок на плотность, газосодержание и температурно-временные параметры процесса затвердевания сплава АК6М2 (Al—6%Si—2%Cu). Крупнокристаллические шихтовые заготовки (К-шихта) получали при заливке расплава в керамические формы с песчаной засыпкой, обеспечивая скорость охлаждения υохл ~0,5÷1,0 °С/с. Мелкокристаллическую (М) шихту готовили заливкой расплава в чугунные холодные кокили (υохл ~ 5 ÷10 °С/с). Полученные шихтовые заготовки раздельно переплавляли по одинаковым температурно-временным режимам, повторно производили рафинирование, дегазацию и получали пробы для оценки содержания водорода, а также определения значений плотности в жидком и твердом состояниях. Установлено, что структурная информация, унаследованная от исходных шихтовых заготовок, устойчиво сохраняется в системе «твердое-жидкое-твердое». Прямым термическим анализом установлено, что расплав, полученный из М-шихты, в процессе затвердевания характеризуется снижением температуры ликвидуса на 3 °С и температур начала и окончания затвердевания эвтектики на 10 °С и 3 °С соответственно по сравнению с расплавом, полученным из К-шихты. При этом сокращается время формирования дендритов α-Al и эвтектики в расплаве из М-шихты (на 0,4 и 0,6 мин соответственно). Результаты, полученные на установке Параболоид-4, показали, что расплав из М-шихты обладает повышенной плотностью по сравнению со сплавом из К-шихты, так как через него проходит меньшее количество импульсов в исследованном интервале температур 750-450 °С. Значения температур формирования дендритов алюминия и эвтектики, которые определены по температурным зависимостям J—t (где J — число γ-импульсов, t — температура), коррелируются с результатами прямого термического анализа. С позиции явления структурной наследственности даны обобщенные практические рекомендации по целенаправленному сохранению положительной структурной информации в сплавах на основе алюминия.

The paper provides the results obtained when studying the initial charge structure effect on the density, gas content and temperature-time parameters of AK6M2 (Al-6%Si-2%Cu) alloy solidification. Coarse crystalline charge billets (C-charge) were obtained when pouring the melt into ceramic molds with sand filling providing a cooling rate υохл ~0.5÷1.0 °C/s. Finely crystalline charge billets (F-charge) were prepared by pouring the melt to cold cast iron molds (υохл ~ 5÷10 °C/s). Charge billets obtained were separately remelted with the same temperature-time conditions, rerefined and degassed with samples taken to determine hydrogen content as well as density values in liquid and solid states. It is established that structural information inherited from the initial charge billets is stable in the solid-liquid-solid system. It was found using direct thermal analysis that the melt obtained from C-charge solidifies with a reduction in liquidus temperature by 3 °С and in the temperatures of the beginning and end of eutectic solidification by 10 °C and 3 °С, respectively, as compared to the melt obtained from C-charge. At the same time, α-Al and eutectic dendrites form in the C-charge melt 0.4 and 0.6 min faster, respectively. The results obtained at the Paraboloid-4 unit showed that the F-charge melt has higher density as compared to the C-charge alloy due to a smaller number of pulses passing through it in the studied temperature range of 750 — 450 °C. Temperature values of aluminum and eutectic dendrite formation determined by J—t temperature relationships (where J is the number of γ pulses, t is the temperature) correlate with the results of direct thermal analysis. General practical recommendations on the purposeful conservation of positive structural information in aluminum alloys are formulated in terms of the structural heredity phenomenon.

структурашихтовая заготовкасилуминыплотность в жидком и твердом состоянияхтемпературы фазовых переходов при затвердеванииструктурная наследственностьмодифицированиеstructurecharge billetsiluminsdensity in liquid and solid statesphase transition temperatures during solidificationstructural hereditymodificationReferencesNappi C. The global aluminium industry 40 years from 1972. World Aluminium. 2013. http://www.world-aluminium.org/media/filer_public/2013/02/25/an_outlook_of_the_global_aluminium_industry_1972_—_present_day.pdf .Nappi C. The global aluminium industry 40 years from 1972. World Aluminium. 2013. http://www.world-aluminium.org/media/filer_public/2013/02/25/an_outlook_of_the_global_aluminium_industry_1972_—_present_day.pdf .Dudin M.N., Voykova N.A., Frolova E.E., Artemieva J.A., Rusakova E.P., Abashidze A.H. Modern trends and challenges of development of global aluminum industry. Metalurgija. 2017. Vol. 56. P. 255—258.Dudin M.N., Voykova N.A., Frolova E.E., Artemieva J.A., Rusakova E.P., Abashidze A.H. Modern trends and challenges of development of global aluminum industry. Metalurgija. 2017. Vol. 56. P. 255—258.Djurdjevic M.B., Odanovic Z., Pavlovic-Krstic J. Melt quality control at aluminum casting plants. Metal. Mater. Eng. 2010. Vol. 16. P. 63—76.Djurdjevic M.B., Odanovic Z., Pavlovic-Krstic J. Melt quality control at aluminum casting plants. Metal. Mater. Eng. 2010. Vol. 16. P. 63—76.McCartney D.G. Grain refining of aluminium and its alloys using inoculants. Inter. Mater. Rev. 1989. Vol. 34. No. 5. P. 247—260.McCartney D.G. Grain refining of aluminium and its alloys using inoculants. Inter. Mater. Rev. 1989. Vol. 34. No. 5. P. 247—260.Murty B.S., Kori S.A., Chakraborty M. Grain refinement of aluminium and its alloys by heterogeneous nucleation and alloying. Inter. Mater. Rev. 2002. Vol. 47. No. 1. P. 3—29.Murty B.S., Kori S.A., Chakraborty M. Grain refinement of aluminium and its alloys by heterogeneous nucleation and alloying. Inter. Mater. Rev. 2002. Vol. 47. No. 1. P. 3—29.Никитин В.И., Никитин К.В. Наследственность в литых сплавах. М.: Машиностроение-1, 2005.Nikitin V.I., Nikitin K.V. Heredity in cast alloys. Moscow: Mashinostroenie-1, 2005 (In Russ.).Никитин К.В., Никитин В.И., Тимошкин И.Ю. Управление качеством литых изделий из алюминиевых сплавов на основе явления структурной наследственности. М.: Радуница, 2015.Nikitin K.V., Nikitin V.I., Timoshkin I.Yu. Quality control of cast products from aluminium alloys based on the phenomenon of structural heredity. Moscow: Radynitsa, 2015 (In Russ.).Селянин И.Ф., Деев В.Б., Кухаренко А.В. Ресурсо- и экологосберегающие технологии производства вторичных алюминиевых сплавов. Известия вузов. Цветная металлургия. 2015. No. 2. С. 20—25.Selyanin I.F., Deev V.B., Kukharenko A.V. Resource-saving and environment-saving production technologies of secondary aluminum alloys. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2015. Vol. 56. No. 3. P. 272—276.Деев В.Б. Получение герметичных алюминиевых сплавов из вторичных материалов. М.: Флинта-Наука, 2006.Deev V.B. Fabrication of sealed aluminum alloys from recycled materials. Moscow: Flinta-Nayka, 2006 (In Russ.).Sigworth G.K. The modification of Al—Si casting alloys: Important practical and theoretical aspects. Inter. J. Metalcast. 2008. Vol. 2. No. 2. Р. 19—40.Sigworth G.K. The modification of Al—Si casting alloys: Important practical and theoretical aspects. Inter. J. Metalcast. 2008. Vol. 2. No. 2. Р. 19—40.Rathod N.R., Manghani J.V. Effect of modifier and grain refiner on cast Al—7Si aluminum alloy: A review. Inter. J. Emerging Trends in Engineering and Development. 2012. Vol. 5. No. 2. Р. 574—581.Rathod N.R., Manghani J.V. Effect of modifier and grain refiner on cast Al—7Si aluminum alloy: A review. Inter. J. Emerging Trends in Engineering and Development. 2012. Vol. 5. No. 2. Р. 574—581.Faraji M., Katgerman L. Grain refinement and modification in hypoeutectic Al—Si alloys. Foundry Trade J. 2010. Vol. 184. P. 315—318.Faraji M., Katgerman L. Grain refinement and modification in hypoeutectic Al—Si alloys. Foundry Trade J. 2010. Vol. 184. P. 315—318.Fang Q., Granger D. Porosity formation in modified and unmodified A356 alloy castings. AFS Trans. 1989. No. 97. P. 989—1000.Fang Q., Granger D. Porosity formation in modified and unmodified A356 alloy castings. AFS Trans. 1989. No. 97. P. 989—1000.Zhang J., Chen H., Yu H., Jin Y. Study on dual modification of Al—17%Si alloys by structural heredity. Metals. 2015. No. 5. Р. 1112—1126.Zhang J., Chen H., Yu H., Jin Y. Study on dual modification of Al—17%Si alloys by structural heredity. Metals. 2015. No. 5. Р. 1112—1126.Xu H., Jiana X., Meek T., Han Q. Degassing of molten aluminum A356 alloy using ultrasonic vibration. Mater. Lett. 2004. Vol. 58. P. 3669—3673.Xu H., Jiana X., Meek T., Han Q. Degassing of molten aluminum A356 alloy using ultrasonic vibration. Mater. Lett. 2004. Vol. 58. P. 3669—3673.Jian X. Meek T.T., Han Q. Refinement of eutectic silicon phase of aluminum A356 alloy using high-intensity ultrasonic vibration. Scripta Mater. 2006. Vol. 54. No. 5. P. 893—896.Jian X. Meek T.T., Han Q. Refinement of eutectic silicon phase of aluminum A356 alloy using high-intensity ultrasonic vibration. Scripta Mater. 2006. Vol. 54. No. 5. P. 893—896.Mizutani Y., Miwa K., Yasue K., Tamura T., Sakaguchi Y., Ohura Y. Effect of the electromagnetic vibration intensity on microstructural refinement of Al—7%Si alloy. Mater. Trans. 2004. Vol. 45. Nc. 6. P 1944—1948.Mizutani Y., Miwa K., Yasue K., Tamura T., Sakaguchi Y., Ohura Y. Effect of the electromagnetic vibration intensity on microstructural refinement of Al—7%Si alloy. Mater. Trans. 2004. Vol. 45. Nc. 6. P 1944—1948.Mizutani Y., Miwa K., Yasue K., Tamura T., Sakaguchi Y., Kawai S. Effect of the intensity and frequency of elect-romagnetic vibrations on refinement of primary silicon in Al—17%Si alloy. Mater. Trans. 2004. Vol. 45. No. 6. P. 1939—1943.Mizutani Y., Miwa K., Yasue K., Tamura T., Sakaguchi Y., Kawai S. Effect of the intensity and frequency of electromagnetic vibrations on refinement of primary silicon in Al—17%Si alloy. Mater. Trans. 2004. Vol. 45. No. 6. P. 1939—1943.Donii O., Narizhna T., Voron M., Berest D. Influence of the external Magnetic field on the structure and properties of the hypereutectic aluminum-silicon alloy. Mater. Sci. Non-Equilibr. Phase Trans. 2018. Vol. 4. No. 3. P. 79—82.Donii O., Narizhna T., Voron M., Berest D. Influence of the external Magnetic field on the structure and properties of the hypereutectic aluminum-silicon alloy. Mater. Sci. Non-Equilibr. Phase Trans. 2018. Vol. 4. No. 3. P. 79—82.Brodova I.G., Popel P.S., Eskin G.I. Liquid metal processing: application to aluminium alloy production. N.Y.—London: Gordon&Breach, 2004.Brodova I.G., Popel P.S., Eskin G.I. Liquid metal processing: application to aluminium alloy production. N.Y.—London: Gordon&Breach, 2004.Quested P., Morrell R., Dinsdale A., Chapman L. The measurement and estimation of density for selected liquid alloys. In: Proc. of the 6-th Decennial Inter. Conf. on Solidification Processing (Beaumont Estate, Old Windsor, UK, 25—28 July 2017). Liquid Metal Engineering Hub. 2017. Р. 1—5.Quested P., Morrell R., Dinsdale A., Chapman L. The measurement and estimation of density for selected liquid alloys. In: Proc. of the 6-th Decennial Inter. Conf. on Solidification Processing (Beaumont Estate, Old Windsor, UK, 25—28 July 2017). Liquid Metal Engineering Hub. 2017. Р. 1—5.Никитин К.В., Финкельштейн А.Б., Чикова О.А., Тимошкин И.Ю. Влияние структуры лигатуры AlSi20 на микроструктуру и вязкость модельного силумина Al—6%Si в твердом и жидком состояниях. Известия вузов. Цветная металлургия. 2013. No. 3. С. 51—57.Nikitin K.V., Finkel'shtein A.B., Chikova O.A., Timoshkin I.Yu. Influence of the structure of the AlSi20 foundry alloy on the microstructure and viscosity of the Al—6% Si model silumin in solid and liquid states. Russ. J. Non Ferr. Met. 2013. Vol. 54. No. 4. Р. 314—319.Никитин К.В., Никитин В.И., Тимошкин И.Ю., Кривопалов Д.С., Черников Д.Г. Наследственное влияние структуры шихтовых металлов на плотность алюминиевых расплавов системы Al—Si. Известия вузов. Цветная металлургия. 2014. No. 6. С. 22—27.Nikitin K.V., Nikitin V.I., Timoshkin I.Yu., Krivopalov D.S., Chernikov D. Hereditary influence of the structure of charge materials on the density of aluminum alloys of the Al—Si system. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2015. Vol. 56. No. 1. Р. 20—25.Никитин К.В., Никитин В.И., Тимошкин И.Ю., Криво- палов Д.С., Черников Д.Г. Влияние структуры шихтовых заготовок, перегрева и времени выдержки расплавов на свойства сплавов А1—5мас.%Си в жидком и твердом состояниях. Известия вузов. Цветная металлургия. 2015. No. 1. С. 33—38.Nikitin K.V., Nikitin V.I., Timoshkin I.Yu., Krivopalov D.S., Chernikov D.G. Influence of the structure of charge billets, overheating,and holding time of melts on the properties of Al—5 wt % Cu alloys in liquid and solid states. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2015. Vol. 56. No. 2. Р. 165— 170.Ри Э.Х., Ри Хосен, Дорофеев С.В., Якимов В.И. Влияние облучения жидкой фазы наносекундными электромагнитными импульсами на ее строение, процессы кристаллизации, структурообразования и свойства литейных сплавов. Владивосток: Дальнаука, 2008.Ri E.H., Ri Hosen, Dorofeev S.V., Yakimov V.I. Influence of irradiation of liquid phase by nanosecond electromagnetic pulses on its structure, crystallization processes, structure formation and properties of casting alloys. Vladivostok: Dal'nauka, 2008 (In Russ.).Гиршович Н.Г., Нехендзи Ю.А. Затвердевание отливок / Затвердевание металлов: Тр. 2-го совещ. по теории литейных процессов. М.: Машгиз, 1958. С. 39—90.Girshovich N.G., Nekhendzi Yu.A. Solidification of castings In: Solidification of metals: Proc. 2-nd Century on the theory of casting processes. Moscow: Mashgiz, 1958. Р. 39—90 (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.