В условиях самопроизвольного роста кремниевая фаза в эвтектике алюминиево-кремниевого сплава будет образовывать чешуйки, причём могут появляться даже толстые многоугольные пластинчатые кристаллы кремния. Такие формы кремниевой фазы будут сильно расщеплять алюминиевую матрицу, вызывая концентрацию напряжений на вершинах и краях кремниевой фазы, причём расщепление сплава, скорее всего, будет происходить вдоль границ зерен. Либо сами пластинчатые Si-фазы растрескиваются, образуя трещины, что приводит к хрупкости сплава, значительному снижению механических свойств, особенно относительного удлинения, и ухудшению режущих характеристик. Для изменения существующего состояния кремния и улучшения механических свойств сплава уже давно применяется технология модифицирующей обработки.
Технология модификационной обработки
Технология модификационной обработки
К элементам, оказывающим модифицирующее воздействие на эвтектический кремний, относятся: натрий (Na), стронций (Sr), сера (S), лантан (La), церий (Ce), сурьма (Sb), теллур (Te) и др. В настоящее время исследования сосредоточены на нескольких модификаторах, таких как натрий, стронций и редкоземельные элементы.
Ухудшение качества натрия (Na)
Натрий является самым ранним и наиболее эффективным эвтектическим элементом, вызывающим метаморфизм кремния. Существует три способа добавления натрия: в виде металлического натрия, натриевой соли и карбоната натрия.
В качестве исходного модифицирующего агента для металлического натрия используется сам металлический натрий. Натрий обладает наилучшим модифицирующим эффектом и способен эффективно утончить эвтектическую структуру. Добавление небольшого количества (от 0,005% до 0,01%) позволяет удалить эвтектическую фазу кремния из игольчатых кристаллов, в результате чего их форма изменяется на полностью однородную волокнистую. Однако использование метаморфизма с металлическим натрием имеет некоторые недостатки. Во-первых, температура метаморфизма составляет 740 ℃, что близко к температуре кипения натрия (892 ℃). Поэтому жидкий алюминий легко закипает, что приводит к разбрызгиванию, способствующему окислению жидкого алюминия и создающему угрозу безопасности при работе. Во-вторых, удельный вес натрия невелик (0,97), и во время метаморфизма он обогащается в поверхностном слое расплавленного алюминия, в результате чего верхний слой расплавленного алюминия перемодифицирован, а нижний — недомодифицирован, что делает эффект метаморфизма крайне нестабильным. В то же время натрий легко вступает в реакцию с парами воды с образованием водорода, что увеличивает содержание газа в расплавленном алюминии. Натрий является очень активным химическим элементом и легко вступает в реакцию с кислородом воздуха. Как правило, для хранения его следует замачивать в керосине, а перед использованием керосин необходимо удалить. Это также очень сложная операция, но если керосин не удалить, он принесет газ и включения в расплав алюминия.
Натриевая соль. В качестве модификатора, обычно используемого в производстве, выступает смесь, содержащая галогенсодержащие соли, такие как NaF, в которой реакция соли натрия с алюминием с выделением натрия играет роль модификатора. Однако эти соли натрия легко попадают в водяной пар, что повышает склонность сплава к окислению под действием геттера. В то же время эти натриевые соли оказывают коррозионное воздействие на окружающую среду и наносят вред здоровью человека.
Карбонат натрия. Модификатор на основе карбоната натрия представляет собой экологически безопасный модификатор, который следует разработать для решения экологических проблем, связанных с использованием модификации натриевой солью. Иными словами, карбонат натрия вступает в реакцию с алюминием и магнием при высокой температуре, образуя натрий и выполняя роль метаморфического агента. Процесс реакции и продукты реакции нетоксичны. Однако у этого экологически безопасного модификатора также существует проблема поглощения воды и усиления склонности алюминиевого сплава к окислению под действием геттера.
Существует ещё один недостаток, который нельзя игнорировать при использовании модификации натрием, а именно: время действия модификатора короткое, и он не является долговечным модификатором. Срок действия модификатора натриевой соли составляет всего 30–60 минут. По истечении этого времени эффект модификации исчезает самопроизвольно. Чем выше температура, тем быстрее происходит потеря эффекта. Поэтому модифицированный алюминиевый расплав необходимо использовать в короткие сроки, а при повторной переплавке его необходимо подвергать повторной модификации. Кроме того, точно контролировать процесс модификации натрием затруднительно, поэтому модификация натрием постепенно заменяется некоторыми методами длительной модификации.
Стронциевый метаморфизм (Sr)
Стронций (Sr) — это изотоп с длительным периодом распада модификатор, эффект модификации стронцием (Sr) эквивалентен эффекту модификации натрием, при этом отсутствуют недостатки, присущие модификации натрием, поэтому он является перспективным модификатором. В начале 1980-х годов Великобритания, Нидерланды и другие страны начали продвигать технологии обработки со стронцием (Sr). В настоящее время как в стране, так и за рубежом проведено множество исследований по вопросам ухудшения качества цемента при использовании стронция. Масштабы использования в Китае стронция (Sr) вместо натрия или натриевой соли также растут.
Стронциевый метаморфизм обладает следующими преимуществами:
- Эффект ухудшения хороший, а срок годности длительный;
- Процесс разложения не сопровождается выделением дыма, нетоксичен, не загрязняет окружающую среду, не вызывает коррозию оборудования и инструментов, не наносит вреда здоровью и прост в эксплуатации;
- Легко добиться удовлетворительных механических свойств;
- Переработанный материал подвергается определенному переплаву и метаморфизму;
- Высокая производительность литья и значительные комплексные экономические выгоды.
