Модифицирование литейных алюминиевых сплавов системы Al–Mg–Si обработкой жидкой фазы наносекундными электромагнитными импульсами
https://doi.org/10.17073/0021-3438-2021-4-32-41
Аннотация
На примере сплава АА 511 системы Al–Mg–Si показано, что облучение алюминиевых расплавов наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ) приводит к существенному изменению характера структурообразования при кристаллизации. Установлено, что повышение частоты облучения расплавов НЭМИ сопровождается измельчением структурных составляющих сплава и перераспределением в них легирующих элементов. При этом наибольшая степень уменьшения размеров зерен α-твердого раствора и межзеренных включений эвтектической фазы Mg2Si наблюдается при частоте НЭМИ f = 1000 Гц. Повышение частоты НЭМИ приводит к значительному увеличению концентрации магния в α-твердом растворе и фрагментации межзеренных включений фазы Mg2Si, которая при облучении расплава с f = 1000 Гц выделяется в форме компактных изолированных включений. Показано, что обработка расплавов НЭМИ приводит к повышению твердости (по Бринеллю) образцов в литом состоянии, а также к увеличению микротвердости зерен α-твердого раствора (с 38,21 HV в исходном состоянии до 61,85 HV после облучения с частотой 1000 Гц). Было сделано предположение, что воздействие импульсного электромагнитного поля приводит к понижению критических значений свободной энергии Гиббса, необходимых для инициации процессов зародышеобразования, и снижению поверхностного натяжения на границах раздела «растущий кристалл – металлический расплав», что обусловливает модифицирующее воздействие на структуру сплава за счет уменьшения критического размера зародышей кристаллизации.
Ключевые слова
литейные алюминиевые сплавы,
система Al–Mg–Si,
наносекундные электромагнитные импульсы (НЭМИ),
кристаллизация,
структурообразование,
модифицирование структуры
При поддержке: Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 20-19-00687).
Об авторах
В. Б. Деев
Уханьский текстильный университет; Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
Россия
Россия
Доктор технических наук, профессор факультета машиностроения и автоматизации Уханьского текстильного университета; гл. науч. сотрудник лаборатории «Ультрамелкозернистые металлические материалы», профессор кафедры «Обработка металлов давлением»
119991, г. Москва, Ленинский пр-т, 4
Э. Х. Ри
Тихоокеанский государственный университет
Россия
Россия
Доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник, заведующий кафедрой литейного производства и технологии металлов (ЛПиТМ)
680035, г. Хабаровск, ул.Тихоокеанская, 136
Е. С. Прусов
Владимирский государственный университет имени А.Г. и Н.Г. Столетовых
Россия
Россия
Кандидат технических наук, доцент кафедры «Технологии функциональных и конструкционных материалов» Владимирского государственного университета им. А.Г. и Н.Г. Столетовых
600000, г. Владимир, ул. Горького, 87
М. А. Ермаков
Владимирский государственный университет имени А.Г. и Н.Г. Столетовых
Россия
Россия
Кандидат технических наук, старший научный сотрудник, доцент кафедры ЛПиТМ ТОГУ
680035, г. Хабаровск, ул.Тихоокеанская, 136
А. В. Гончаров
Тихоокеанский государственный университет
Россия
Россия
Кандидат технических наук, научный сотрудник, доцент кафедры ЛПиТМ ТОГУ
680035, г. Хабаровск, ул.Тихоокеанская, 136
Список литературы
1. Wang L., Makhlouf M., Apelian D. Aluminium die casting alloys: Alloy composition, microstructure, and properties-performance relationships. Int. Mater. Rev. 1995. Vol. 40. P. 221—238.
2. Aluminum casting market size, share & trends analysis report by process (die casting, permanent mold casting), by end use (transportation, industrial), and segment forecasts. 2020—2027. https://www.grandviewresearch.com(accessed: 30.11.2020).
3. Stojanovic B., Bukvic M., Epler I. Application of aluminum and aluminum alloys in engineering. Appl. Eng. Lett. 2018. Vol. 3. No. 2. P. 52—62.
4. Gloria A., Montanari R., Richetta M., Varone A. Alloys for aeronautic applications: state of the art and perspectives. Metals. 2019. Vol. 9. Art. 662.
5. Caceres C. Economical and environmental factors in light alloys automotive applications. Metall. Mater. Trans. A. 2007. Vol. 38. P. 1649—1662.
6. Jarry P., Rappaz M. Recent advances in the metallurgy of aluminium alloys. Pt. I: Solidification and casting. C. R. Phys. 2018. Vol. 19. P. 672—687.
7. Murty B.S., Kori S.A., Chakraborty M. Grain refinement of aluminium and its alloys by heterogeneous nucleation and alloying. Int. Mater. Rev. 2002. Vol. 47. No. 1. P. 3—29.
8. Quested T.E., Greer A.L. Grain refinement of Al alloys: Mechanisms determining as-cast grain size in directional solidification. Acta. Mater. 2005. Vol. 53. P. 4643—4653.
9. Greer A.L., Cooper P.S., Meredith M.W., Schneider W., Schumacher P., Spittle J.A., Tronche A. Grain refinement of aluminium alloys by inoculation. Adv. Eng. Mater. 2003. Vol. 5. P. 81—91.
10. Fan Z., Gao F., Jiang B., Que Z. Impeding nucleation for more significant grain refinement. Sci. Rep. 2020. Vol. 10. Art. 944 .
11. Deev V.B., Prusov E.S., Kutsenko A.I. Theoretical and experimental evaluation of the effectiveness of aluminum melt treatment by physical methods. Metall. Ital. 2018. No. 2. P. 16—24.
12. Riedel E., Liepe M., Scharf S. Simulation of ultrasonic induced cavitation and acoustic streaming in liquid and solidifying aluminum. Metals. 2020. Vol. 10. Art. 476
13. Deev V.B., Prusov E.S., Ri E.H., Smetanyuk S.V., Feoktistov A.V. Improving the wear resistance of cast aluminum alloys by the melt thermal-rate treatment. J. Phys.: Conf. Ser. 2020. Vol. 1679. Art. 052011.
14. Deev V., Prusov E., Rakhuba E. Physical methods of melt processing at production of aluminum alloys and composites: Opportunities and prospects of application. Mater. Sci. Forum. 2019. Vol. 946. MSF. P. 655—660.
15. Konovalov S.V., Danilov V.I., Zuev L.B., Filip’ev R.A., Gromov V.E. On the influence of the electrical potential on the creep rate of aluminum. Phys. Solid State. 2007. Vol. 49. P. 1457—1459.
16. Zuev L.B., Danilov V.I., Konovalov S.V., Filip’ev R.A., Gromov V.E. Influence of contact potential difference and electric potential on the microhardness of metals. Phys. Solid State. 2009. Vol. 51. No. 6. P. 1137—1141.
17. Zhang L., Li W., Yao J.P., Qiu H. Effects of pulsed magnetic field on microstructures and morphology of the primary phase in semisolid A356 Al slurry. Mater. Lett. 2012. Vol. 66. Iss. 1. P. 190—192.
18. Bai Q.-W., Ma Y.-L., Xing S.-Q., Feng W.-F., Bao X.-Y., Yu W.-X. Refining of a DC-casting aluminum alloy structure using surface electromagnetic pulsing. Chin. J. Eng. 2017. Vol. 39. No. 12. P. 1828—1834.
19. Liotti E., Lui A., Vincent R., Kumar S., Guo Z., Connolley T., Dolbnya I.P., Hart M., Arnberg L., Mathiesen R.H., Grant P.S. A synchrotron X-ray radiography study of dendrite fragmentation induced by a pulsed electromagnetic field in an Al—15Cu alloy. Acta Mater. 2014. Vol. 70. P. 228—239.
20. Bai Q., Wang J., Xing S., Ma Y., Bao X. Crystal orientation and crystal structure of paramagnetic α-Al under a pulsed electromagnetic field. Sci. Rep. 2020. Vol. 10. Art. 10603.
21. Gong Y.-Y., Luo J., Jing J.-X., Xia Z.-Q., Zhai Qi-J. Structure refinement of pure aluminum by pulse magneto-oscillation. Mat. Sci. Eng. A. 2008. Vol. 497. No. 1-2. P. 147—152.
22. Zi B.-T., Ba Q.-X., Cui J.-Z., Bai Y.-G., Na X.-J. Effect of strong pulsed electromagnetic field on metal’s solidified structure. Acta. Phys. Sin. 2000. Vol. 49. No. 5. P. 1013—1014.
23. Ban C.Y., Cui J.Z., Ba Q.X., Lu G.M., Zhang B.J. Influence of pulsed magnetic field on microstructure and macro-segregation in 2024 Al-alloy. Acta Metall. Sin. (Eng. Lett.). 2002. Vol. 15. No. 4. P. 380—384.
24. Vdovin K.N., Dubsky G.A., Deev V.B., Egorova L.G., Nefediev A.A., Prusov E.S. Influence of a magnetic field on structure formation during the crystallization and physicomechanical properties of aluminum alloys. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2019. Vol. 60. No. 3. P. 247—252.
25. Zhang L., Zhan W., Jin F., Zhou Q. Microstructure and properties of A357 aluminium alloy treated by pulsed magnetic field. Mater. Sci. Technol. 2018. Vol. 34. No. 6. P. 698—702.
26. Krymsky V., Shaburova N. Applying of pulsed electromagnetic processing of melts in laboratory and industrial conditions. Materials. 2018. Vol. 11. No. 6. Art. 954.
27. Ri E.K., Hosen R., Ermakov M.A., Knyazev G.A., Dzhou B.L., Ri V.E. Solidification of low-silicon iron under the action of nanosecond electromagnetic pulses. Steel Trans. 2013. Vol. 43. No. 8. P. 471—473.
28. Komkov V.G., Gostishchev V.V., Ri E.Kh., Dorofeev S.V. Influence that nanosecond electromagnetic pulses have on the acquisition of tin and the properties of its alloys. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2011. Vol. 52. No. 4. P. 344—346.
29. Znamenskii L.G., Ivochkina O.V., Kulakov B.A. Electro-impulsive nanotechnology for preparing an aluminum — Refractory-metal master alloy. Metallurgist. 2005. Vol. 49. No. 1-2. P. 72—76.
30. Shaburova N.A. Changes in metal properties after thermal and electric impulse processing. IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng. 2015. Vol. 81. Art. 012016.
31. Krymsky V.V., Shaburova N.A., Litvinova E.V. Microstructure and properties of cast metal treated with electromagnetic pulses while in molten state. Mater. Sci. Forum. 2016. Vol. 843. P. 106—110.
32. Deev V., Ri E., Prusov E. Effect of aluminum melt treatment by nanosecond electromagnetic pulses on structure and properties of castings. In: 73-rd World foundry congress «Creative Foundry» (WFC 2018): Proceedings (Polish Foundrymen’s Association). 2018. P. 155—156.
33. Chen H., Jie J., Fu Y., Ma H., Li T. Grain refinement of pure aluminum by direct current pulsed magnetic field and inoculation. Trans. Nonferr. Met. Soc. China. 2014. Vol. 24. P. 1295—1300.
34. Wang B., Yang Y., Zhou J., Tong W. Microstructure refinement of an AZ91D alloy solidified with pulsed magnetic field. Trans. Nonferr. Met. Soc. China. 2008. Vol. 18. P. 536—540.
35. Eckert S., Nikrityuk P.A., Räbiger D., Eckert K., Gerbeth G. Efficient melt stirring using pulse sequences of a rotating magnetic field: Pt I. Flow field in a liquid metal column. Metall. Mater. Trans. B. 2007. Vol. 38. P. 977—988.
36. Choi J.-K., Ohtsuka H., Xu Y.; Choo W.-Y. Effects of a strong magnetic field on the phase stability of plain carbon steels. Scripta Mater. 2000. Vol. 43. P. 221—226.
37. Zhao Z., Liu Y., Liu L. Grain refinement induced by a pulsed magnetic field and synchronous solidification. Mater. Manuf. Process. 2011. Vol. 26. No. 9. P. 1202—1206.
38. Qin J., Bian X., Wang W., Sijusarenko S. I., Ma J., Xu C. Micro-inhomogeneous structure of liquid Al—Fe alloys. Sci. China Ser. E-Technol. Sci. 1998. Vol. 41. P. 182—187.
39. Shepelev L., Manov V. Microinhomogeneity of liquid alloys: Microscopy characterization and new production methods. Microsc. Microanal. 2002. Vol. 8. No. S02. P. 1300—1301.
40. Mi G.B., Li P.J., He L.J. Structure and property of metal melt I: The number of residual bonds after solid-liquid phase changes. Sci. China Phys. Mech. Astron. 2010. Vol. 53. P. 1571—1577.
Рецензия
Для цитирования:
Деев В.Б., Ри Э.Х., Прусов Е.С., Ермаков М.А., Гончаров А.В. Модифицирование литейных алюминиевых сплавов системы Al–Mg–Si обработкой жидкой фазы наносекундными электромагнитными импульсами. Известия вузов. Цветная металлургия. 2021;(4):32-41. https://doi.org/10.17073/0021-3438-2021-4-32-41
For citation:
Deev V.B., Ri E.Kh., Prusov E.S., Ermakov M.A., Goncharov A.V. Modification of Al–Mg–Si casting aluminum alloys by liquid phase processing with nanosecond electromagnetic pulses. Izvestiya. Non-Ferrous Metallurgy. 2021;(4):32-41. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/0021-3438-2021-4-32-41
Просмотров:
446
Послать статью по эл. почте 