Влияние химического состава на жидкотекучесть алюминиевой бронзы

Долгое время оловянные бронзы были единственным материалом для получения отливок различного назначения. Хорошая жидкотекучесть и низкие значения линейной усадки позволяют получать сложные по конфигурации отливки, поэтому они долгое время использовались как материал для художественных отливок. Но из-за широкого интервала кристаллизации этих сплавов тяжело получить плотные отливки. Дефицитность олова и повышенные требования к технологическим свойствам сплава привила к необходимости применения других сплавов. На сегодняшний день алюминиевые бронзы являются основным материалом, заменяющим оло-вянистые бронзы. Из этих бронз, имеющих малый интервал кристаллизации, получаются плотные отливки с концентрированными усадочными раковинами. Усадка у этих сплавов больше, а жидкотекучесть лучше, чем у оловя-нистых бронз. Последняя характеристика особенно важна для изготовления художественных отливок.

Жидкотекучесть – это способность металлов и сплавов течь в расплавленном состоянии по каналам литейной формы, полностью заполнять ее полости и точно воспроизводить очертания отливки [1]. Она зависит от свойств сплава и литейной формы. К основным параметрам сплава, влияющим на жидкотекучесть, можно отнести температурный интервал кристаллизации,

Шумков Алексей Александрович, аспирант Кайгородов Алексей Константинович, магистрант Милованов Роман Сергеевич, магистрант температуру сплава при заливке, вязкость, силы поверхностного натяжения и др. Большая часть этих параметров зависит от химического состава сплава. К параметрам литейной формы можно отнести температуру формы, теплопроводность материала формы, трение, ширина канала (толщина стенки) и др. Основным методом определения жидкотекучести является получение металлических проб в песчаных и металлических формах – получении спиральной пробы. Этот метод регламентирован ГОСТом 16438-70 и получил широкое распространение в производстве и лабораторных исследованиях. Он заключается в фиксировании длины затвердевшей части металла в канале постоянного сечения (рис. 1.).

Рис. 1. Спиральная проба

В наиболее распространенном варианте металл, заливаемый в форму через чашу, проходя стояк попадает в спиральный канал. Канал имеет форму трапеции высотой 8 мм, шириной 8

мм вверху и 7 мм внизу. Небольшие выступы, нанесенные на спиральном канале через 50 мм, облегчают измерение длины образца. Такая конструкция канала позволяет получить длинные прутки в небольших по габаритам формах.

Поскольку жидкотекучесть является одним из основных свойств сплава для художественных отливок, то изменяя химический состав сплава можно добиться увеличение показателей жидкотекучести. В современной литературе жидкотекучесть предлагается повышать при помощи модифицирования сплава флюсами [2]. В состав этих флюсов чаще всего входят дефицитные материалы. Было решено провести компьютерное моделирование заливки спиральных проб сплавом одной марки. Для улучшения показателей жидкотекучести в химическом составе сплава изменялось содержание алюминия. Для проведения компьютерного моделирования был применен программный комплекс ProCAST. В качестве представителя из группы алюминиевых бронз был взят сплав с наиболее высокими показателями жидкотекучести – БрА9Ж3Л. Химические свойства данного сплава приведены в табл. 1. Это эвтектический многокомпонентный сплав, основными компонентами в котором являются медь и алюминий. При температуре 1035оС в меди растворяется до 7,4% алюминия.

Таблица 1. Химический состав безоловянной литейной бронзы БрА9Ж3Л по ГОСТ 493-79

Основные элементы, % по массе (Cu–ост.)						Допустимая сумма примесей
Al	Fe	Mn	Ni	Рb	Zn
8,0-10,5	2,0-4,0	-	-	-	-	2,7

Таблица 2. Результаты компьютерного моделирования

Содержание Al в сплаве, %	11,5	12,5	13,5	14,5
Показатель жидкотекучести, мм	650	655	720	770

При понижении температуры область α-твердого раствора расширяется до 9,4% при температуре 565^оС и далее растворимость не меняется. В сплавах, содержащих 9-15% алюминия, появляется β-фаза, представляющая собой твердый раствор на базе интерметаллида Cu 3 Al. Ниже температуры 565^оС β-фаза распадается с образованием эвтектоида α + γ 2 . Новая фаза γ 2 представляет собой твердый раствор на базе соединения Cu 32 Al 19 . С увеличением количества эвтектоида в отливке растут твердость и прочностные характеристики бронзы и снижаются пластичность и ударная вязкость [3]. Но для художественных отливок данные свойства не играют особой роли.

Железо в данном сплаве является вспомогательной добавкой. Оно измельчает зерно бронз (микроструктура алюминиевой бронзы становится более дисперсной) и замедляет эвтектоидный распад γ 2 фазы, а также упрочняет твердый раствор. При содержании железа на верхнем пределе (4%) в микроструктуре алюминиевой бронзы появляется самостоятельная железистая фаза. Результаты компьютерного моделирования представлены на рисунках (см. рис. 2 - 5) и сведены в табл. 2.

Выводы: проведенное моделирование заливки спиральных проб в программном комплексе ProCAST показало, что жидкотекучесть сплава на основе Cu-Al зависит от содержания в нем алюминия. При увеличении содержания алюминия с 11,5% до 14,5% параметр жидкотекучести увеличился на 18,7%.

Рис. 2. Спиральная проба с содержанием Al –

11,5%

Рис. 3. Спиральная проба с содержанием Al –

12,5%

Fraction Solid                                                                           spiral_2

Рис. 4. Спиральная проба с содержанием Al –

13,5%

Рис. 5. Спиральная проба с содержанием Al –

14,5%