Влияние различных титансодержащих добавок на эффективность модифицирования эвтектического сплава системы алюминий–кремний

Изучено влияние титана, в зависимости от способа его ввода в расплав, на структуру и механические свойства эвтектического силумина АК12. Приведены результаты исследований как при одиночном введении титана (расчетное содержание Ti – 0,1 мас.%) различными способами (лигатурой Al–4%Ti, оксидом TiO₂, солью K₂TiF₆, Ti-губкой), так и при совместных добавках титана и стандартного флюса (62,5 % NaCl + 12,5 % KCl + 25 % NaF). Исследования осуществляли путем качественного и количественного анализа макро- и микроструктур сплавов, данных спектрального анализа и механических свойств (предела прочности на разрыв и относительного удлинения). Установлено, что титан оказывает влияние на структуру эвтектического силумина и наиболее эффективен при совместном введении со стандартным флюсом. При этом эффективность модифицирования силуминов титаном зависит от способа его ввода в расплав. Отмечено положительное влияние титана, введенного с помощью фтористой соли K₂TiF₆, лигатуры Al–4%Ti и титановой губки, на измельчение макрозерна, уменьшение расстояния между ветвями дендритов второго порядка твердого раствора (α-Al), а также на диспергирование эвтектического кремния. Наиболее перспективным способом комплексного модифицирования силуминов является совместное введение титансодержащих веществ и флюса на основе солей натрия. Такие составы оказывают комплексное влияние на структуру силумина, заключающееся в одновременном модифицировании различных структурных составляющих алюминиево-кремниевых сплавов. В зависимости от вида титансодержащего вещества при совместной обработке с флюсом относительное удлинение сплава достигает 9,7–11,1 %, что более чем в 4 раза превышает этот показатель для немодифицированного сплава и на 17–37 % выше, чем у сплава, модифицированного натрием. Предел прочности составляет 171–193 МПа, что на 22–38 % больше, чем у немодифицированного сплава, и на 7–21 % выше по сравнению со сплавом, модифицированным натрием. 

1. Напалков В.И., Махов С.В., Поздняков А.В. Модифицирование алюминиевых сплавов. М.: МИСиС, 2017. 348 с.

2. Никитин К.В. Модифицирование и комплексная обработка силуминов. Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2016. 92 с.

3. Easton M.A., Qian M., Prasad A., StJohn D.H. Recent advances in grain refinement of light metals and alloys. Current Opinion in Solid State and Materials Science. 2016;20(1):13—24. https://doi.org/10.1016/j.cossms.2015.10.001

4. Feng Gao, Zhongyun Fan. Solute effect on grain refinement of Al- and Mg-alloys: An overview of the recent advances made by the LiME research hub. Metals. 2022;12(9):1488. https://doi.org/10.3390/met12091488

5. Joachim Gröbner, Djordje Mirković, Rainer SchmidFetzer. Thermodynamic aspects of grain refinement of Al—Si alloys using Ti and B. Materials Science and Engineering: A. 2005;395(1):10—21. https://doi.org/10.1016/j.msea.2004.11.048

6. Ahmad Mostafa. Mechanical properties and wear behavior of aluminum grain refined by Ti and Ti + B. International Journal of Surface Engineering and Interdisciplinary Materials Science. 2019;7(1):1—19. https://doi.org/10.4018/IJSEIMS.2019010101

7. Белов Н.А., Алабин А.Н., Карачарова Е.Г., Емелина Н.Б. О целесообразности легирования силуминов добавками титана и циркония. Известия вузов. Цветная металлургия. 2010;(4):46—52. https://doi.org/10.3103/S1067821210040097

8. Белов Н.А. Фазовый состав промышленных и перспективных алюминиевых сплавов. М.: МИСиС, 2010. 511 с.

9. Muzaffer Zeren, Erdem Karakulak. Influence of Ti addition on the microstructure and hardness properties of near-eutectic Al—Si alloys. Journal of Alloys and Compounds. 2008;450(1—2):255—259. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2006.10.131

10. Himmler David, Randelzhofer Peter, Körner Carolin. Formation kinetics and phase stability of in-situ Al3Ti particles in aluminium casting alloys with varying Si content. Results in Materials. 2020;7:100103. https://doi.org/10.1016/j.rinma.2020.100103

11. Shant Prakash Gupta. Intermetallic compounds in diffusion couples of Ti with an Al—Si eutectic alloy. Materials Characterization. 2002;49(4):321—330. https://doi.org/10.1016/S1044-5803(02)00342-X

12. Liu Ya-ling, Wu Chang-jun, Tu Hao, Lu Xiao-wang, Wang Jian-hua, Su Xu-ping. Microstructure and mechanical properties of Al—10Si alloy modified with Al— 5Ti. China Foundry. 2018;15:405—410. https://doi.org/10.1007/s41230-018-8034-1

13. Golbahar B., Samuel A.M., Doty H.W., Valtierra S., Samuel F.H. Effect of grain refiner on the tensile and impact properties of Al—Si—Mg cast alloys. Materials & Design (1980—2015). 2014;56:468—479. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2013.11.058

14. Lee Ji-Young, Lee Jung-Moo, Son Kwang-Suk, Jang Jae-il, Cho Young-Hee. A study on the interaction between a Sr modifier and an Al—5Ti—1B grain refiner in an Al—7Si—0.35Mg casting alloy. Journal of Alloys and Compounds. 2023;938:168598. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.168598

15. Wu Yuna, Zhang Jianfeng, Liao Hengcheng, Li Gaiye, Wu Yuping. Development of high performance near eutectic Al—Si—Mg alloy profile by micro alloying with Ti. Journal of Alloys and Compounds. 2016;660:141—147. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2015.11.083

16. Никитин К.В., Тимошкин И.Ю., Никитин В.И. Влияние способов получения лигатуры AlTi на ее структуру и эффективность при модифицировании алюминиевых сплавов. Известия вузов. Цветная металлургия. 2018;(4):45—52. https://doi.org/10.3103/S1067821218050115

17. Shlyaptseva A.D., Petrov I.A., Ryakhovskii A.P. Prospects of using titanium dioxide as a component of modifying composition for aluminum casting alloys. Materials Science Forum. 2019;946:636—643. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.946.636

18. Mallapur D.G., Kori S.A., Udupa K.R. Influence of Ti, B and Sr on the microstructure and mechanical properties of A356 alloy. Journal of Materials Science. 2011;46: 1622—1627. https://doi.org/10.1007/s10853-010-4977-3

19. Shlyaptseva A.D., Petrov I.A., Ryakhovsky A.P., Medvedeva E.V., Tcherdyntsev V.V. Complex structure modification and improvement of properties of aluminium casting alloys with various silicon content. Metals. 2021;11(12):1946. https://doi.org/10.3390/met11121946

20. Петров И.А., Ряховский А.П., Моисеев В.С., Бобрышев Б.Л., Шляпцева А.Д. Перспективы использования углеродсодержащего материала для обработки силуминов. Литейщик России. 2016;(1):28—32.

21. Галдин Н.М., Чернега Д.Ф., Иванчук Д.Ф. Цветное литье: Справочник. М.: Машиностроение, 1989. 528 с.

22. Henk G. Merkus. Particle size measurements: Fundamentals, practice, quality. Springer Science+Business Media, 2009. 534 p.

23. Боом Е.А. Природа модифицирования сплавов типа силумин. М.: Металлургия, 1972. 69 с.

24. Mondolfo L.F. Aluminium alloys, structure and properties, London; Boston: Butterworths, 1976. 971 p.

25. Ashtari P., Tezuka H., Sato T. Modification of Fecontaining intermetallic compounds by K addition to Fe-rich AA319 aluminum alloys. Scripta Materialia. 2005;53(8):937—942. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2005.06.022

26. Деев В.Б., Феоктистов А.В., Селянин И.Ф., Швидков Н.И., Зайнутдинов Х.Ф. Влияние режимов высокотемпературной обработки расплавов на фор мирование структуры и свойства силуминов. Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2003;(10): 28—31.

27. Напалков В.И., Махов С.В. Легирование и модифицирование алюминия и магния. М.: МИСиС, 2002. 376 с.

28. Zhang G., Lu W., Wu X., Yang B., Tan Y., Xu Z., Tang H., Zeng J., Wang J. A new strategy on designing fluxes for aluminum alloy melt refinement. Materials. 2023;16(6):2322. https://doi.org/10.3390/ma16062322