автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Исследование объемной усадки сплавов на основе алюминия

РГ6 ОД

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ (ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

УДК : 621.746.6.011

Па иршга рукописи

РУИС ГУТЬЕРРЕС Марко Атвиио

ИССЛЕДОВАНИЕ ОБЪЕМНОЙ УСАДКИ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ

Специальное! I, 05.16.04 Литейное произиодстпо

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1994

I '

Работа выполнена и Московском государственном институте стали и сплавов

Научный руководитель

д.т.н., проф. Пикунов М.В.

Официальные оппоненты

д.т.н., проф. Г.М. Кузнецов

(МИСИС)

к.т.н. В.С. Макарин

(МАТИ)

Ведущее предприятие -

Московский Государственный Открытый Университет, кафедра технология металлов.

Защита состоится " " " 1994 г. в

часов на

заседании специализированного совета К-053.08.01 при Московском государственном институте стали л сплавов по адресу: Ленинский пр. 4, ауд. 436.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного института стали и сплавов.

Л иго реферат разослан "_

1994 г.

Ученый Секретарь Совета

профессор И.Ф. Курунов

ОПЩЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Вопрос о получении высококачественных, бездефектных отлипок всегда занимал главное мест на протяжении nccii истории литейной практики. Изучение явления объемной усадки кристаллизации сплавов, одною из важнейших литейных свойств, до сих пор не завершено. Современные исследования этого явления проводятся с применением нонешних достижений науки и техники с целью получения псе более достоверных результатов. Однако полностью единою мнения об этом явлении еще не выработано, обычно имеющиеся результаты различных an юром не совпадают и нередко противоречат друг другу. Вместе с тем надежные данные об объемной усадке сплавов необходимы для обоснованного расчета прибылей па отливках. Кроме того, представление о зависимости объемной усадки сплавов от их положения на диаграмме состояния является одним из главных вопросов теории литейных процессов. Эги обстоятельства служили для нас основной причиной для выполнении данной работы.

П качестве объекта исследований был выбран ряд сплавов на основе ,алюминия: систем Al-Cti, Al-Si, Al-Zn. Эш системы являкнея основой большинства современных алюминиевых сплапоп. Дополнительно был также исследован ряд эвтектических сплавов на основе тяжелых легкоплавких металлов.

Цель работы. Главная цель работы заключалась в определении обьемпои усадки двойных сплавов на основе алюминия с учетом их положения на диаграмме состоянии. При "ном изучалась

объемная усадка кристаллизации, связанная с изменением объема только и период кристаллизации сплавов. В снязи с этим усадка выражалась как разноси, знамений плотностей или удельных объемом сплавов Н)Ш темиера1урах начали и конца кристаллизации при равновесных и неравновесных услиинях. Производилось определение общей уеалки без подразделения на объем усадочной порнсгист и объем усадочной раковины.

Методы исследования. Проводились теоретические расчеты объемной усадки с использованием значений удельных объемов , определенных по правилу аддитивности исходя из свойств чистых металлов. Экспериментальное определение удельных объемов производилось специально разработанным ппкпомстрпчсскнм методом (жидкие сплавы) и дилатометрическим методом (твердые сплавы). Использовали термический анализ, а также ренгсноспсктралыю-ло-кальный анализ. Результат экспериментов подвергались тщательной макмашчсской обработке с определением достигнугон точности.

Научная новизна. Надежно установлена сложная зависимость объемной усадки сплавов в двойных системах в противоположность обычно принимаемому монотонному изменению этого свойства как фупкпнп ог состава. Подтверждены максимальные значения усадки у с или нов с наибольшим интервалом кристаллизации и минимальные значения у сплавов эвтектического состава . Наличие этих экстремальных значений объясняется разностью величин козффиипенюв объемного расширения В жидком п в твердом состоя-

мин. Вьиншено ш1иниис неравновесной кристаллизации на величину объемной усадки сплавом. Разработан вариант иикпометрического метода определения плотности жидких легкоплавких сплавов путем зачерпывания расплава, обеспечивающий погрешность измерении 0.7%.

Практическая значимость. Получены достоверные п точные данные по обьемпон усадке кристаллизации сплавов систем А1-51, А1-Си, пригодные для использования м расчетах прибылей.

Получены падежные данные о тсплоном расширении силагнж указанных систем от 20 "С до начала плавления. Показано, что прп разработке сплавов с минимальными значениями обьемпон усадки необходимо использовать составы, соответствующие наиболее пнзко-плавкпм эптектпкам.

Публикации. По теме диссертации переданы п печать 2 аагьн.

ООьем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех основных глав, выводов п списка использованных источников. Работа содержпг 142 стр. машинописною текста, 50 рисунков, 40 таблиц, список использованных источников из 80 наименовании.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Анализ имеющихся литературных данных показал существование неоднозначности взглядов на обьемную усадку сплавов. Имеется неопределенность п понимании усадки кристаллизации и

усадки и целом. Установлено, что возможно условно разделить всю . совокупность работ но объемной усадке на две группы. В первой группе авторы работ фактически не учитывают особенности кристаллизации сплавов и считают, что объемная усадка сплавов зависит только от объемной усадки чистых компонентов и их количественного соотношения в сплаве. Вторая группа работ посвящена в основном экспериментальному исследованию плотности сплавов в жидком и в твердом состояниях с последующим их сопоставлением. Эти результаты показывают, что объемная усадка сложным образом связана с положением сплава на диаграмме состояния. На зависимостях "Усадка-состав" встречаются точки максимумов, минимумов и перегибов.

Максимальные значения усадки приходятся на сплавы с большими интервалами кристаллизации, а минимальные и перегибы на эвтектические составы. Однако, логического объяснения немонотонному ходу зависимостей в найденных работах нет.

2. РЛСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЪЕМНОЙ УСАДКИ ДВОЙНЫХ ГИПОТЕТИЧЕСКИХ И РЕАЛЬНЫХ СПЛАВОВ

В данной работе объемная усадка определяется как разность величин удельных объемов сплавов при температурах ликвидуса Уь, и солидуса м3/кг, отнесенная к удельному объему сплава при температуре ликвидуса, в %%:

ДУ =

7 - 7 Ь Б

100 = 100

['-— ]

V.

Опираясь на правило аддитивности, величины Уь и У5 сплава можно выразить с помощью физических характеристик чистых металлов:

А.20 А _ В.20 В.

(100-С)У3 [1+р3(г5-20°)1+с73 [1+р3(г3-20°)3 Л7 = 100 - ----

АД„ А А ВД. В В

(100-С)7т к Ч>Р1|(гь-1;к)]+С711 ^ПР^^-^)!

где С - состав сплава, массовая доля второго компонента, %; рх - температурные коэффициенты объемного расширения

металлов А и В, К"'; ^ - температура кристаллизации металлов А и В.

После проведения расчетов на сплавах в двойных гипотетических системах были обнаружены следующие закономерности: Если чистые компоненты А-В обладают равными или близкими значениями объемной усадки и образуют систему с полной растворимостью в жидком и в твердом состоянии, то у сплава с наибольшим интервалом кристаллизации отмечается максимальная объемная усадка, превосходящая усадку чистых компонентов и всех сплавов в таких системах. При этом величина этой максимальной усадки тем больше, чем значительнее интервал кристаллизации сплава.

В случае, если и системе имеется эвтектическое превращение между твердыми растворами па основе каждого из компонентов, то максимальная величина усадки опять-таки отмечается у сплавов твердых растворов на основе Л и В, с наибольшим интервалом кристаллизации, а у сплава эвтектического состава объемная усадка оказывалась наименьшей в сравнении с усадкой чистых компонентов и всех других сплавов системы. Величина усадки эвтектического сплава получается тем меньшей, чем более низка температура эвтектического превращения по сравнению с температурами плавления компонентов.

Отмеченные экстремумы в величине объемной усадки, вычисляемые но указанным ранее формулам, объясняются существенным различием коэффициентов объемного расширения металлов в твердом и и жидком состоянии. У всех металлов коэффи-

циенты объемного расширения в жидком состоянии в 1,5 - 2 раза больше, чем в твердом. Из-за этого температурное сжатие сплава эвтектического состава в жидком состоянии, определяемое соответственно низкой температурой эвтектического превращения, оказывается весьма значительным, так что удельный объем этого жидкого сплава приближается к удельному объему в твердом состоянии, и усадка эвтектического сплава оказывается минимальной и всегда меньшей усадки чистых компонентов (если компоненты обладают близкой или одинаковой но величине усадкой). Это обстоятельство позволяет предположить, что в принципе возможны системы, состоящие из компонентов с нормальной усадкой (ДУ>0), в которых объем у очень иизкоплавкпх эвтектических сплавов в жидком состоянии окажется равным или меньшим объема в твердом состоянии. Такие

эвтектические сплавы будут обладать нулевой или даже отрицательной усадкой, то есть будут увеличиваться в объеме при кристаллизации подобно висмуту, сурьме, германию, кремнию, воде.

Максимальные значения объемной усадки у сплавов с наибольшим интервалом кристаллизации вызваны тем, что сравниваются удельные объемы жидкой и твердой фаз на наибольшем температурном расстоянии. На рис. 1 изображен обзор расчетно-теоретического определения объемной усадки двойных сплавов.

Расчстно-теореписская объемная усадка двойных сплавов

Рис. 1

ВЛИЯНИЯ НЕРАВНОВЕСНОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ил ОБЪЕМНУЮ УСАДКУ СПЛАВОВ D ДВОЙНЫХ СИСТЕМАХ

Если ранее предполагали, что процесс кристаллизации про-холиг строго ранпопеспо, то теперь расчеты проводились с учетом неравновесной кристаллизации по Шейлю. Считали, что диффузии п жидком состоянии полностью успевает усреднить ее состав , а в шерлом состоянии, из-за малых значении коэффициентов диффузии, усреднение cocuma не происходит.

Надо отметить, чю расчеты велись но такой же схеме, что и в случае с равновесной кристаллизации: путем сравнения величин обьемов сплавов в жидком и в твердом состоянии, с той разницей, что теперь надо было использовать новый способ расчета величины объема сплава в твердом состоянии с учетом его неоднородности по cocí any. Основой для расчетов служила формула Шейля, которая позволяет вычислить состав последней порции выпадавшей из жидкое! и терло» фазы С, „ и заппспмости от массы этой твердой фазы:

СТ|) = К.С0 (1- мтв)л(к-1)

где к - постоянный коэффициент распределении, С0 - исходный состав сплава, мтп- массовап доля твердой фазы.

Исходя из этой формулы и с учетом правила аддитивности, была получена формула, выражающая физический объем твердой • фазы. Уф, образующейся в ходе неравновесной кристаллизации:

Уф = Лмт„ + 13 С0 (1-мтпГк

где А, В - постоянные величины в которые входят физические свойства компонентов сплава п температура, мри которой ведется расчет. В частном случае, эта температура эвтектического превращения.

Расчеты показали, что теоретически неравновесная кристаллизация должна влиять на проявление объемной усадки количественно и качественно. Такое влияние наглядно показано на рис. 2. где даются результаты вычислений объемной усалки при равновесной и неравновесной кристаллизации сплавов систем А1-Си и Л1-2п.

Расчетная объемная усадка сплавов системы Л1-Сн и \\-Zn

1

1 1 1 1 \

1 |

{V 1 1

7 V 1 !

1 1

I 5*1____ 1

1 1 1

1 1

1

1 \

1 1

Т-

4

\ 1 ^— л

н --

равновесная кристаллизация; ----- неравновесная

Из графика шшио, что величина усадки резко возрастает у сплавов, для которых неравновесный интервал кристаллизации доходит до температуры эвтектического превращения. У сплавов, имеющих в условиях равновесной кристаллизации и структуре какое-либо количество эвтектической составляющей, величина объемной усадки не меняется при любом способе расчета. Это говорит о том, что единственный фактор, имеющий реальное значение при неравновесной кристаллизации, это температурный интервал кристаллизации.

Интересный факт был обнаружен при исследовании проявления усадки внугри равновесного и неравновесного интервала кристаллизации: на рис. 3 показан этот процесс для двух сплавов системы Л1-Си: первый из них с массовой долей меди 3% (без равновесно/! эвтектики), и второй 20%.

Развитие объемной усадки сплавов А1-3%Си, А1-20% Си

"эв з х, а, 0 - 3 и 20 * медн соотзетсвенно; ■ кристаллизации; — то же при неравновесной

- усалка при равновесной

Как Ш1ДИО из рис. 3, усадка нерпою спллпа, состоящею и ос-иопиом из твердого раствора Си в Al, иарастасг при понижении температуры медленнее, но п силу увеличения самого интервала кристаллизации по абсолютному значению она больше, чем усадка, рассчитанный при равновесных условиях. У второю сплава абсолютное значение усадки п обоих случаях кристаллизации остается одинаковым, из-за равного интервала кристаллизации, однако, успдка при неравновесной кристаллизации проходит в основном за счет эвтектической составляющей, поскольку ее доля заметно возрастает.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПЪЕМПОП УСАДКИ СПЛАВОВ СИСТЕМ Al-Си, Al-Zn и Al-Si

Как раньше было сказано, в настоящей работе величина усадки экспериментально определялась путем сравнения величин удельных объемов сплавов при температурах ликвидуса и солидуса. Таким образом в работе определяли и исследовали общую обьемпую усадку кристаллизации сплавов без подразделения на пористость и на раковину.

Для приготовления исследуемых сплавов использовали алюминий марки А99, кремний монокрпсталлпчсскн/i полупроводниковой чистоты марки КПС-3, медь марки МО, цинк марки ЦВ. Расплавы готовили в печах сопротивления типа СIIЮЛ па воздухе. Расплавы для определения плотности жидких легкоплавких эвгектик приготавливались в вакууме, их плавка и замеры проводились в специальной построенной для'этих целей нечн. Для избежания газовой пористости расплавы на основе алюминия подвергались очистке хло-

рилом марганца. Определение коэффпциептои линейного расширении твердых силаиои велось па дилатометрической установки собственной конструкции па специальных отлитых образцах.

Экспериментальные значения удельных объемов жидких сплавов (У|) находили пнкнометрпческнм методом. 13 качестве пикнометра использовали корундовый тигель объемом около 70 см\ которым зачерпыпали исследуемый раенлаи при температуре ликвидуса, полностью погружая в нею тигель. Путем зачерпывания удалось избежим. возникновения мениска над образцах, так что колебания обьема и массы расплава и пнле-пикпометре нрп повторных замерах не превышали 0,25 %. 13зисш1шаппем зачерпнутой порции расплава после кристаллизации и охлаждения находили массу расплава. Объем тнгля-пнкномсфа определяли путем его предварительной тарировки по чистому алюминию, для коюрого зависимость плотности в жидком сосюянип ог температуры установлена достаточно надежно. Эту зпниашиаь экстраполировали в область 400- 600 "С , так как темпера|уры ликвидуса всех исследуемых сплавов были ниже 660 "С -температуры плавления алюминия.

Экспсрнмешальныс значения удельного объема сплавов при темпсра|уре солидуса, \,8(Л ц) .находили но формуле;

= У20(Л-И) I' + 1'тн(Л-1!) ('в I

где Угщд.п), - удельный обьем сплава при 20 °С, м3/кг;

Ип)(д.1^ - термический коэффициент объемного

расширения твердого снлтш <ч 20 'Ч' до температуры нлавленнн, К ';

1К - температура солпдуся сила на

Коэффициент \Угп(л.П) определяли дилаюмстричоскнх птме-с|пн"| снецпал1>по отлитых образцов сплавов. Образцы ншрсиалн я рубчаюп печи со скоростью 1-2 "С и мину|у до температуры на '10-60 С ниже Ц с одновременно замером их длины. Полученную чапн-имость длины от температуры экстраполировали до Ц и по эшм дан-ым па,холили средний коэффициент линейною расширения. Утроемое значения эюю коэффициента использовали как иелнчнну |1|||(Л „,. 'дельный обьем сплава при 20 °С, ^щл-П)' расечншпплн но медуницей формуле

^О(Л-П) = 1 ^^11(11)

где Удил;- ^гщп) удельные обьемы комионемюп при 20 "С, м3/кг;

X - массовая доля компомеша 1$.

Затем вычисляли удельный обьем сплава, используя эксисрн-1снтады1о найденные значения (Ц-И(д_ц). Анализ иофспнтстси всей |роцедуры экспериментом и вычислении показал, чю общая но-реинюсть эксперимента пс превышает 0,3 %.

Результаты расчетного и экснсримснпин.иою определении • |' 1

дельных объемов и объемйой усалки сплавов сиасм А1-1'и, А1 -и М^п представлены на рис. 4 .

Объемная усадка сплавов систем AI-SI, Al-Cu и Al-Zn '

Как видно, расчетные и экспериментальные результаты совпадают вполне удовлетворительно, п установленные ранее расчетным путем особенности изменения обьемпон усадки проявляются и у реальных сплавов. Во всех системах наблюдается максимальная усадка у енланоп с наибольшим интерпалом кристаллизации: п системе Л1-81 при 2% 51, Л1-7п при 40% Л1~Сп при 5% Си. Минимум (очень размытый) на кримой "Усадка-состам" сплавов отмечается только н системе Л1-Сн. В системе Л1-5| кремний кристаллизуется с увеличением объема, поэтому усадка сплапоп продолжает снижаться и у заэптектичеекпх сплапоп с 15 и 20% ЯК однако, при 13% можно видеть яппмй перелом на кривых. В системе Л1-2и минимум на эвтектическом составе не обнаружен ни расчетным, нн экспериментальным путем.

Эго связано с тем. что алюминий обладает очень большой усадкой (6,5%), по сравнению с пинком (3,1%), а температура эвтектического превращения близка к температуре плавления цинка. Наиболее заметные расхождения в экспериментальных и расчетных данных по объемной усадкс пидны у сплава Л1+55% Си (силап-соеди-нение СиА12). По-вндимо это объясняется тем. что расчеты пели непосредственно для системы Си-Л1, тогда как фазу СиЛ12 необходимо было рассматривать как самостоятельный компонент. Однако, отсутствие литературных данных для свойств этой фазы п жидком состоянии не позволило пойти таким путем.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЪЕМНОЙ УСАДКИ ЛЕГКОПЛАВКИХ СПЛАВОВ ЭВТЕКТИЧЕСКОГО СОСТАВА

Как указывалось, расчстно-теоретичсский анализ показал, чго у некоторых эвтектических сплавов значение усадки может оказаться значительно меньше, чем усадки чистых компонент». Проявление этой закономерности отмечено в системах Al-Cu, Al-Si, Al Zn, но недостаточно ярко из-за близости эвтектических температур к температурам плавлениям компонентов. Было решено экспериментально подтвердить это положение среди эвтектик легкоплавких металлов. С этой целью были исследован ряд двойных, тройных и четвертных эвтектик на основе легкоплавких металлов Zn, TI, Cd, Pb, 1и и Sn, которые, как известно, кристаллизуются с уменьшением объема. В табл. 1 показана их расчетная усадка кристаллизации.

Таблица I

Расчетная объемная усадка кристаллизации 1н, Su, Pb, TI, Zn, Cd

Металл V Ps- h' 20 Vs . tk VL ' AV,

°C К"1 к-1 м3/кг (xicrV М3/КГ (x10~4) %

In 156 74,4.10-6 96,7.10~6 1,37 1,42 2,5

Sn 232 70,5.1СГ6 87,5.10~6 1,37 1,43 2,8

Pb 327 93,9.10~6 123,0.10~6 0,85 0,93 5,9

TI 304 82.6.10"6 126,0.10~6 0,84 0,88 2,3

Zn 419 110.0.10"6 167,0.10~6 1,41 1,53 3,8

Cd 320 93,3.10"6 161.0.10-6 1,16 1,25 4,6

Расчетным путем, но правилу аддитивности, легко убедиться, что многнс эитектикн названной группы металлов должны кристаллизоваться с пониженным значением усадки относительно объемной усалкн чистых составляющих. В табл. 2 показаны расчетные величины усадки некоторых известных эвтектических сплапов. Параллельно этим значениям в табл. 2 также показана усадка сплавов, которая вычисляется через усадку чистых компонентов и их доли в соответствующих сплавах, эту усадку назвали "средней".

Таблица 2

Расчетная объемная усадка некоторых эвтектических сплавов

Компоненты сплава Массовая дола юмповепто», % •С Усади по аддвггв., % Среда» усади, %

1п Бп РЬ И 2п СЛ

1п-5п 52 48 117 2.5 2.6

1п-Сс1 75 25 128 2.9 3.0

Бп-РЬ 62 38 183 2.4 4.0

5п-Т1 56 44 170 2.5 2.6

Бп-са 68 32 177 3.2 3.4

са-п 83 17 204 1.1 2.7

са-гп 17 83 266 3.9 4.5

1л-с<М1 35 50 15 120 1.8 2.7

1п-5п-2п 52 46 2 108 2.4 2.7

In-Cd-Zn 74 2 24 116 2.2 3.3

С<1-5п-2п 73 2 25 (63 2.3 3.3

Са-Эп-Т! 42 39 19 129 1.7 3.0

Сс1-РЬ-5п 50 31 19 145 2.3 4.1

С<1-1 п-Хп-Бп 44 42 1 13 90 1.5 2.9

Как видно, средняя усадка больше, чем усадка, рассчитанная по правилу аддитивности. (

Для более полного выявления отмеченной закономерности была предпринята попытка найти многокомпонентный сплав с минимальной температурой плавления. Были приготовлены 5 произвольных сплавов на основе Бп, Т1, Сс1, РЬ, Ъъ и 1п. Образцы этих сплавов были изучены на дериватографе с целью получения термических кривых, способных выявить присутствие эвтектических превращений. Состав этих сплавов и выявленная температура превращений легкоплавких составляющих показаны в табл. 3

Таблица 3

Состав исследуемых сплавов

Сплав Массовая доля комповеатов, % Температура превращен», •С

1л Сй Т1 РЬ 5п 2л

1 17.5 17.0 44.5 21.0 - - 100-110

1 17.5 17.0 25.0 25.0 15.5 ■ . 100-110

3 19.0 19.5 46.0 15.5 - 135-145

4 22.0 16.5 46.0 16.7 _ 100-110

5 16.7 16.7 16.7 16.7 16.7 16.7 110-120

Как видно из табл. 3 во всех сплавах, кроме третьего, присутствовали очевидные признаки существования низкоплавких составляющих в районе от 100 до 120 ®С.

После рассмотрения микроструктур образцов сплавов было решено продолжить изучение сплава, который показывал температуру плавления легкоплавкой составляющей порядка 100-110 °С . Затем был определен состав эвтектической области в структуре образца сплава на приборе СатеЬах. Оказалось, что состав эвтектики: РЬ -73%, Бп - 15%, 1п - 10% и Сс1 - 2%. Этот сплав и известная 4-х компо-

неитпая эвтектика (1п - 44%, Бп - 42%, С(1 - 13% и Ъ\\ - 1%, температура плавления которой 90 °С ) были объектом изучения объемной усадки. Как и прежде, эта величина определялась исходя из разности удельных объемов сплавов при температурах ликвидуса и солндуса.

Ввиду малых количеств легкоплавких сплавов их удельные обьемы в жидком состоянии определяли методом "термометра". Пикнометр представлял собой фигурную ампулу из синтетического прозрачного кварца, нижняя и верхняя часть которой имели объем порядка 2-3 см3, средняя - калиброванный капилляр с внутренним диаметром 2,363 - 2,365 мм, длиной 100-150 мм. На нижнюю часть наносилась метка с помощью плавиковой кислоты. Градуировка пикнометров производилась по дистиллированной воде с последующей тарировкой по олову технической чистоты. Перед проведением измерений, пикнометры тщательно промывали . Измельченный исследуемый сплав загружали в верхнюю часть пикнометра н откачивали до 10-5 мм рт. ст. длительное время с небольшим нагревом для дегазации материала. После «акуумнровання пикнометр занаила/ш в верхней чисти п помещали в печь с узкой щелью для наблюдения за уропнем расплава посредством катетометра КМ-6. Измерения проводились через 10-15 "С в диапазоне температур от 150 до 300 "С.

Полученные результаты экстраполировались до температуры ликвидус расплава и таким образом получали значения плотностей (удельных объемов), исследуемых сплавов. Погрешность такой методики составляла примерно 2% от получаемых значений. Величины удельных объемов при Температуре солндуса были определены расчетным путем по правилу аддитивности. В табл. 4 приведены ре

зультаты исследований. Сплав, известный от литературных данных состава обозначается буквой 1, а сплав, полученный нами - цифрой 2. Там же приводятся значений объемной усадки, рассчитанной с учетом только значений усадки чистых компонентов (з.у.ч.к.) и с учетом их массовой доли в сплавах.

Таблица 4

Объемная усадка кристаллизации легкоплавких эотектик, %

Сплав Эксперимент Расчет по правилу аддитивности Расчет по з.у.ч.к.

1 2.2 1.4 2.9

2 4.7 3.8 5.2

Как видно расчетное и экспериментальное определение дало разные значения величин объемной усадки, что связано в первую очередь с методическими неточностями. Однако основная закономерность о пониженных значениях усадки эвтектических сплавов вновь четко подтверждается: экспериментальные значения усадки ниже, чем усадка, рассчитанная по усадке чистых составляющих сплава.

ВЫВОДЫ

1. Расчетно-теоретическим путем показано, что объемная усадка при кристаллизации сплавов, определяемая как разница удельных объемов жидкой фазы при температуре ликвидуса и твердой

фалл при температуре солидуса, отнесенная к обьему жидкой фазы, меняется в двойных системах сложным образом. В системах из компонентов с близкими величинами объемной усадки сплавы с максимальным интервалом кристаллизации обладают усадкой, наибольшей во всей системе. Усадка эвтектического состава оказывается минимальной.

2. Главная причина сложного изменения объемной усадки сплавов в двойных (и, вероятно, в более сложных) системах заключается в существенно большей величине температурного коэффициента объемного расширения жидких металлов по сравнению с таковым у твердых металлов.

3. Разработана методика расчета изменения объемной усадки с учетом неравновесной кристаллизации.

4. Показано, что неравновесная кристаллизация сплавов приводит к существенному возрастанию объемной усадки в случае, если в структуре имеется значительная доля твердого раствора.

5. Эксперименты на сплавах А1-5|, Л1-Си, Л1-2п. подтверждали сложный характер изменения объемной усадки, предсказываемой расчетами

6. Расчеты показали, что возможны системы, образованные компонентами, кристаллизующимися с усадкой, в которых могут быть очень легкоплавкие эвтектики, кристаллизующиеся с очень малой (вплоть до нулевой) усадкой. Эксперименты на легкоплавких сплавах частично подтвердили это положение

7. Разработан вариант пикнометрнческого метода определения плотности жидких металлов путем зачерпывания расплава, обеспечивающий в случае алюминиевых сплавов погрешность 0,7% от

измеряемой величины. Этот вариант может применяться п исследовательских и учебных целях.

nutnfplt.doc