Микроструктура заэвтектических силуминов в литом состоянии содержит алюмо-кремниевую эвтектику (Al a +Si) и изолированные кристаллы первичного кремния. В обычном состоянии эти кристаллы, как правило, достигают значительных размеров и, поскольку имеют остроугольную форму, являются центрами повышенных напряжений при приложении механических нагрузок на изделие. В связи с этим заэвтектические силумины перед производством отливок модифицируют. В качестве модификаторов обычно используют фосфор и серу. При этом в расплав их вводят как в элементарном виде в смеси c различными флюсами (гексахлорэтан, сильвинит, фтористые соли), так и в виде фосфидов меди и железа.

Известно, что присутствующий в расплаве натрий оказывает отрицательное влияние на процесс модифицирования высоко кремнистых алюминиевых сплавов. По данным отечественных и немецких исследователей существует прямая зависимость между содержанием натрия в сплаве и расходом фосфора на модифицирование.

Поскольку в заводских условиях сплав обычно готовят из исходных материалов содержащих значительные количества натрия (обычно используют моторный лом с добавкой кремния и других легирующих компонентов), то перед вводом в расплав фосфор - содержащих компонентов необходимо удалить из него натрий. Лучшие результаты по удалению натрия из расплава достигаются при использовании для этих целей флюсового препарата «Экораф – 3.1.1» вводом в чистом виде или газофлюсовой смесью.

Важным, с точки зрения экологии, являются характеристики модификаторов, в частности их токсичность, пожароопастность, активность при взаимодействии с расплавленным алюминием. На некоторых литейных заводах комплексные модификаторы готовят в виде таблеток из смесей, содержащих красный фосфор, элементарную серу, гексахлорэтан, сильвинит. Обычно условия труда, санитарной гигиены и охраны окружающей среды при приготовлении таких таблеток оставляют желать лучшего. Кроме того, эффективность такого рода таблеток при взаимодействии их с расплавом алюминия недостаточно высокая, что приводит к их перерасходу и выбросу фосфора, сульфатов и хлоридов в окружающую среду.

В зарубежной практике для модифицирования применяется прутковый модификатор на основе алюминия, меди и фосфора. Однако, широкое его использование в отечественной практике будет сдерживаться относительно низким содержанием фосфора (3%) и высокой ценой (до 50 $ / кг). На некоторых предприятиях для модифицирования высоко кремнистых сплавов используют плавленно-литую фосфористую медь содержащую 12-13% фосфора, доводя количество фосфора в расплаве до 500 ppm.(0,05%). При этом вместе с фосфором в расплав вводится медь, что повышает её содержание на 0,4 % (абс.), а это не всегда приемлемо.

Учитывая вышесказанное, перед исследователями и производственниками стоит задача создания модификатора и технологии его применения максимально удовлетворяющих следующим основным требованиям: экологичность, активность, отсутствие вредных примесей, приемлемые цены.

Исследования по модифицированию и сохранению модифицирующего эффекта проводились на сплаве АК-18, приготовленном из моторного и поршневого лома с добавкой кристаллического кремния . Плавки осуществлялись на электрической тигельной печи сопротивления с карбид кремневым тиглем емкостью 77 кг. Масса расплава каждой плавки составляла 70 кг. Перед модифицированием осуществлялось рафинирование сплава по выше описанной технологии. После снятия шлака, при температуре 780°С, расплав модифицировался гранулами МФ-20 , с расчетным содержанием фосфора в сплаве 0,012% (120 ppm.) , с 20 минутной выдержкой для полного втворения фосфора. Затем, была осуществлена 5-ти часовая выдержка, с забором проб каждые 60 минут, при температуре расплава 780°С.

Металлографический анализ результатов лабораторных плавок, для сплава АК-18, показал, что в микроструктуре материала полученного без обработки модификатором МФ-20 , присутствуют крупные, неправильной формы и неравномерно распределенные кристаллы первичного кремния (рис. 1). Размеры этих кристаллов по одной стороне изменяются в интервалах 30-270 мкм, большая часть имеет размеры 70-100 мкм. Площади кристаллов кремния изменяются в интервалах 900-25000мкм2, большая часть зерен имеет площадь 7200-9000 мкм2.

Исследования проб, взятой после 20 минутной выдержки (рис. 2), а также взятых в течении последующих четырех часов (рис. 3), показало, что основная масса кристаллов кремния имеет размер не более 10мкм, хотя и встречаются единичные кристаллы размером до 45 мкм (площадь до 100 мкм). После пяти часовой выдержки размеры кристаллов остаются в этих же интервалах, но количество кристаллов размером 10-45мкм, по одной стороне, увеличивается и составляет один, два кристалла на квадрат размером 450х450мкм (рис. 4).

Далее были проведены исследования сохранения модифицирующего эффекта после второго переплава. Модифицированный и подвергнутый пяти часовой выдержке сплав, расплавлялся, температура расплава доводилась до 780°С. После чего взята проба и далее осуществлена четырех часовая выдержка, с забором проб каждые 60 минут.

Проба взятая сразу по достижении расплавом 780°С, показала, что кристаллы кремния имеют размеры 10-1940 мкм2 (рис. 5). Исследование последующих проб показало, что с увеличением времени выдержки, размеры кристаллов остаются в том же интервале, но растет удельное число крупных кристаллов площадью 320-1940 мкм2 (рис. 6). Например, если непосредственно после расплавления число таких зерен в квадрате 450х450 мкм было не более пяти, то после четырех часовой выдержки их число возрасло до 20 на квадрат тех же размеров (рис. 7).

Выводы:

1. Использование гранулированного модификатора медь-фосфор с содержанием фосфора 20% для модифицирования предварительно рафинированного от натрия сплава АК18 позволяет достигать устойчивого модифицирующего эффекта.
2. Гранулированный модификатор экологически безопасен и его применение для облагораживания заэвтектических силуминов исключает выбросы фосфора в окружающую природную среду.