.

Теория и технологии получения высококачественных силуминов физико-химическими воздействиями на расплав: Автореф. дис… д-ра техн. наук / А.Г. Пригуно

Язык: украинский
Формат: реферат
Тип документа: Word Doc
0 4510
Скачать документ

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ
ДЕРЖАВНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

ПРИГУНОВА Адель Георгіївна

УДК 669.2/8.017

ТЕОРІЯ ТА ТЕХНОЛОГІЇ ОДЕРЖАННЯ ВИСОКОЯКІСНИХ СИЛУМІНІВ ФІЗИКО-ХІМІЧНИМИ ВПЛИВАМИ НА РОЗПЛАВ

Спеціальність 05.16.01  металознавство та термічна обробка металів

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

дисертації на здобуття вченого ступеня
доктора технічних наук

Дніпропетровськ – 1999

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Державній металургійній академії України Міністерства освіти України.

Науковий консультант  доктор технічних наук, професор, академік Національної академії наук України ТАРАН Юрій Миколайович, Державна металургійна академія України, ректор.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор, член-кореспондент Національної академії наук України БОРИСОВ Георгій Павлович, Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України , завідуючий відділом механіки рідких та твердіючих сплавів;

доктор технічних наук, професор ЧЕРНЕГА Дмитро Федорович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, завідуючий кафедрою фізико-хімічних основ технології металів;

доктор технічних наук, професор, ШАПОВАЛОВА Оксана Михайлівна, Дніпропетровський державний університет, завідуюча лабораторією нових матеріалів та технологій.

Провідна установа – Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова Національної академії наук України, відділ кристалізації, відділ будови рідких і аморфних металів, м. Київ.

Захист відбудеться ” 19 ” жовтня 1999 р. о 12 год 30 хв на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.02 при Державній металургійній академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Державної металургійної академії України.

Автореферат разіслано ” 10 ” вересня 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради, докт.техн.наук, професор О.М. Комаров

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Сплави системи Al-Si широко використовуються як конструкційні матеріали. Завдяки гарній технологічності, високому рівню фізико-механічних властивостей, високій питомій міцності та корозійній стійкості вони успішно конкурують з чорними металами, замінюючи або повністю витісняючи їх з традиційних сфер використання: у машинобудуванні, хімічній, електротехнічній промисловості, у побутовій техніці. Однак розширення областей їх застосування та збільшення обсягу виробництва стримується дефіцитом сировинних ресурсів.
Високозалізні боксити вітчизняних родовищ через відсутність ефективних технологій переробки у кольоровій металургії практично не використовуються. Резервом економії первинного алюмінію є брухт та відходи, але при їх переплавці утворюється значна кількість газоподібних та металевих домішок. Задоволення постійно зростаючої потреби в алюмінієвих сплавах можливе лише при усуненні різниці в якості первинних та вторинних сплавів, з одного боку, і розширенні обсягів використання алюмінієвої рудної бази , з іншого. І в тому, і в другому випадках виникає проблема створення нових або вдосконалення існуючих технологій відповідно до шихти низької якості.
Перспективним напрямком вирішення проблеми є застосування фізико-хімічних дій на розплави. Але розробка ефективних засобів діяння можлива лише на основі чітких уявлень про структуру розплаву, що змінюється під впливом зовнішніх факторів. Сучасні уявлення про фізико-хімічну природу металевої рідини базуються на роботах академіка В.І. Данилова, його учнів і послідовників: О.С. Лашко, А.Ф. Скришевського, О.В. Романової, Я.Й. Дутчака та ін. Великий внесок у вивчення будови розплавів зробили колективи учених під керівництвом О.Г. Ільїнського, В.І. Мазура, Б.О. Баума, І.О. Новохатського, А.М. Ватоліна. Авторка нинішньої роботи, яка тривалий період співпрацювала з цими колективами, вжила спробу детально вивчити будову алюміній-кремнієвих розплавів, їх вплив на особливості процесу кристалізації, структуру та властивості відливок.
Дисертаційна робота узагальнює результати досліджень, що проводилися у відповідності до постанови ДКНТ СРСР від 3.05.79. № 180, за комплексною програмою МВ і ССО СРСР “Метали” (п.12.03.06); завданням 03.03.Т МНТК “Антикор” ДКНТ СРСР; Загальносоюзною науково-технічною програмою 0.09.06 “Розробити і освоїти нові технологічні процеси і обладнання для виробництва металопродукції з кольорових металів та сплавів і ефективного використання в народному господарстві”, що затверджена постановою ДКНТ СРСР від 30.10.85. № 555 (підпрограма 1 “Розробити та впровадити ливарні сплави, а також сплави кольорових металів, що деформуються, які виробляються з брухту та відходів, замість сплавів з первинних металів”); програмою Мінвузу УРСР з проблеми “Теоретичні та технологічні основи високоефективних процесів виробництва металопродукції з високими споживчими властивостями”, що затверджена конкурсною комісією Мінвузу УРСР 18.01.91.; державною науково-технічною програмою 7.12.2 “Створення нових конструкційних ливарних сплавів на основі легких металів”, що затверджена постановою ДНТП України від 4.05.92. № 12, а також у pамках науково-дослідних робіт у відповідності до координаційних планів міністерств і галузевих інститутів.
Мета роботи. Розробка наукових принципів управління якістю складнолегованих силумінів на основі фундаментальних досліджень формування структури та властивостей у рідкому та твердому станах і використання їх у металургійній практиці при виробництві сплавів і відливок з низькосортної та вторинної сировини.
Для досягнення мети поставлено такі завдання:
1. Поширення експериментальних та теоретичних досліджень закономірностей формування структури алюміній-кремнієвих розплавів.
2. Розвиток наукових аспектів проблеми створення вторинних силумінів з підвищеним вмістом цинку та магнію.
3. Розробка механізму і ефективних заходів щодо нейтралізації шкідливого впливу заліза мікродомішками, запропонувати засіб прогнозування механічних властивостей силумінів за фазовим складом.
4. Розкриття природи процесів, що відбуваються в розплавах під дією температури, витримування в рідкому стані, обробці електричним струмом, інертним газом.
5. Вивчення впливу будови розплаву та умов охолоджування на особливості фазових перетворень при кристалізації складнолегованих силумінів.
6. Проведення промислових випробувань економнолегованих високоякісних сплавів із низькосортної сировини, брухту та відходів, що отримані з використанням фізико-хімічних засобів дії на структуру розплаву.
Теоретична цінність досліджень і їх новизна. На основі даних рентгеноструктурного та гартувально-мікроструктурного аналізів, вимірювання структурно-чутливих властивостей (в’язкості, щільності, електроопору), седиментації розплавів у полі відцентрових сил уточнена і отримала подальший розвиток модель структури рідких силумінів.
Вперше вирішена нелінійна задача седиментації розплавів у полі відцентрових сил з метою визначення розмірів мікроугруповань атомів кремнію.
Встановлені раніше невідомі закономірності впливу цинку та магнію на характер мікронеоднорідності алюміній-кремнієвих розплавів, їх зв’язок зі структурою та механічними властивостями відливок.
Вперше виявлена неоднорідність твердого розчину алюмінію (Al), що сформувався на різних етапах кристалізації. Показана залежність властивостей Al від хімічного складу, швидкості охолоджування, рідиннофазної обробки.
Розкритий принципово новий механізм перитектичного перетворення в силумінах, що леговані магнієм.
Здійснена кількісна оцінка механічних властивостей складнолегованих силумінів з урахуванням їхньої структури. Побудовані моделі хімічний склад  фазовий склад  властивості, що у порівнянні з моделями оптимізації хімічний склад  властивості повніше і точніше розкривають фізичну картину процесів, які впливають на механічні характеристики сплавів.
Вивчений механізм і запропоновані засоби нейтралізації шкідливого впливу заліза в алюміній-кремнієвих сплавах мікролегуванням. Встановлена періодичність у зміні ступеня впливу металевих домішок на морфологію залізовмісних фаз, мікро- та макроструктуру залежно від їхнього порядкового номера у Періодичній системі хімічних елементів Д. І. Менделеєва.
Розроблений оригінальний спосіб формування структури і нейтралізації шкідливого впливу заліза у промислових сплавах дією на розплав електричним струмом. Отримане рішення рівняння електропереносу, запропонований механізм структурних перетворень, що обумовлені дією на розплав електричного струму.
Поширені уявлення про дегазацію розплавів електричним струмом. Описаний механізм цього процесу.
Вперше отримане експериментальне підтвердження подібності закономірностей у зміні структурних параметрів розплавів під впливом температури та тривалих витримувань у рідкому стані. Встановлена температурна область перегріву доевтектичних та евтектичних силумінів, охолоджування з якої супроводжується кардинальними змінами процесу кристалізації, складу та морфології фаз.
Сформульовані критерії, що забезпечують взаємозв’язок структури алюміній-кремнієвих сплавів у рідкому та твердому станах, запропонований механізм модифікування залізовмісних фаз при фізичних і хімічних діях на розплав.
Практична цінність і реалізація результатів. Отримані в роботі дані про будову та властивості алюміній-кремнієвих розплавів поширюють уявлення про природу силумінів, багатофазну кристалізацію сплавів евтектичного типу.
Встановлені загальні закономірності формування структури в рідкому та твердому станах, механізми зміни її при мікролегуванні, під впливом температури, в залежності від витримування в рідкому стані, обробки інертним газом, електричним струмом, зміни швидкості охолоджування дозволили науково обгрунтувати нові схеми ресурсозберігаючих технологій одержання високоякісних складнолегованих силумінів.
Проведені теоретичні та експериментальні дослідження стали основою оптимізації існуючих і розробки нових ливарних сплавів, при виробництві яких можливе широке використання низькосортної сировини, брухту та відходів з підвищеним вмістом Fe, Mg, Zn, деякі з них внесені до редакції ГОСТ 1583-89 “Сплавы алюминиевые литейные”.
Апробація та впровадження нових сплавів і технологій на металургійних і машинобудівних підприємствах України, Росії, Грузії дозволили знизити рівень
ливарного браку, підвищити механічні властивості відливок, скоротити витрати первинних металів, насамперед Al, Ni, Mn, і отримати сумарний економічний ефект (у цінах до 1990 р.) 6950 тис. руб, при пайовій участі авторки 4980 тис. руб.
Особистий внесок авторки. Основні наукові результати отримані авторкою особисто у ході індивідуальних досліджень, дослідно-промислових випробувань, а також при виконанні робіт, що здійснювалися під її безпосереднім керівництвом. Усі теоретичні узагальнення виконані самостійно.
Апробація роботи. Матеріали дисертації повідомлені і обговорені: на II всесоюзному семінарі по змочуванню, адгезії та взаємодії розплавів (Миколаїв, 1975); на III, IV, V, VI, VII всесоюзних конференціях “Будова та властивості металевих і шлакових розплавів” (Свердловськ, 1978, 1980, 1983, 1986; Челябинськ, 1990); на I, II, III всесоюзних конференціях “Закономірності формування структури сплавів евтектичного типу” (Дніпропетровськ, 1979, 1982, 1986); республіканській конференції “Підвищення якості продукції ливарного виробництва” (Київ, 1978); на IV всесоюзній конференції “Засоби дослідження і визначення газів у металах і неорганічних матеріалах” (Ленінград, 1979); республіканському семінарі “Прогресивна технологія підвищення якості відливок з кольорових металів” (Київ, 1978); республіканському семінарі “Властивості рідкого металу і якість відливок” (Київ, 1978); на III всесоюзній нараді “Фізико-хімічні проблеми високотемпературної воднепроникності металів” (Дніпропетровськ, 1983); всесоюзній конференції “Основні напрямки економії та раціонального використання металу в автотракторобудуванні” (Челябинськ, 1984); зональній нараді “Структура та властивості металів” (Новокузнецьк, 1984); на IV всесоюзній нараді “Водень у металах” (Москва, 1984); на VII всесоюзній конференції “Нові високопродуктивні процеси, високоякісні сплави і обладнання у ливарному виробництві” (Каунас, 1986); на IV республіканській конференції “Механізація та підвищення ефективності технологічних процесів виробництва відливок металургійного обладнання” (Дніпропетровськ, 1986); на I, II всесоюзних нарадах “Взаємозв’язок рідкого та твердого металевих станів” (Свердловськ, 1987, 1990); всесоюзному семінарі “Ближній порядок у металевих розплавах і структурно-чутливі властивості поблизу меж тривалості фаз” (Львів, 1988); на IV міжгалузевому семінарі “Спадковість у литих сплавах” (Куйбишев, 1990); на I українській конференції “Структура і фізичні властивості неупорядкованих систем” (Львів, 1993); міжнародних конференціях “Евтектика IV” (Дніпропетровськ, 1997), “Перспективи  технологія” (Польща, Краков, 1998).
Публікації. Основні положення дисертації опубліковані у 54 друкарських роботах, у тому числі 1 монографії, а також 41 тезах доповідей на конференціях, семінарах та статтях, що не увійшли до списку праць. Новизна розробок захищена 11 авторськими свідоцтвами на винаходи, патентом на винахід, що виданий Дежпатентом України.
Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, 6 розділів, висновків, списку літератури з 405 позицій і додатка. Робота викладена на 180
сторінках машинописного тексту, містить 102 малюнки, 53 таблиці.
Засоби досліджень. Застосовані новітні засоби та методики рентгеноструктурного і рентгеноспектрального аналізів, включаючи високотемпературну рентгенографію, вимірювання в’язкості, щільності в рідкому стані, седиментації розплавів у полі відцентрових сил, оптичної, растрової та трансмісійної електронної мікроскопії, термічного, гартувально-мікроструктурного, хімічного, газового аналізів, виборчого травлення, визначення механічних, ливарних і технологічних властивостей.
Використаний сучасний математичний апарат для інтерпретації структури та властивостей розплавів, засоби планування експерименту, математичної статистики і обробки результатів.
Лабораторні і дослідно-промислові дослідження здійснювали у відповідності до ДОСТів, на приладах і обладнанні, що пройшли метрологічний контроль. Це дозволяє говорити про певність отриманих результатів.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

КІЛЬКІСНА ОЦІНКА ПАРАМЕТРІВ МІКРОНЕОДНОРІДНОСТІ РОЗПЛАВІВ

Кількісна оцінка параметрів мікронеоднорідності  одна з найскладніших проблем фізики рідинного стану. Інформативним засобом визначення розміру мікроугруповань атомів Si (dSi) у розплавах силумінів є високошвидкісне охолоджування з рідкого стану (Vохол > 107 К/хв) з подальшим електронно-мікроскопічним дослідженням металевих плівок. Істотні успіхи у вирішенні означеної проблеми, у розробці та використанні відповідних методик були досягнуті в лабораторії проф. В. І. Мазура. Однак прямі дані про ступінь відповідності dSi у розплаві та відповідних кристалів Si у швидкоохолоджених плівках відсутні. Отримати відповідь на це питання можливо, якщо використати метод седиментаціі розплавів у полі відцентрових сил. У попередніх дослідах з центрифугування, заснованих на досягненні балансу мас між конвективним переносом (рухом мікроугруповань) та дифузією, що вирівнює, ігнорувався нелінійний характер розподілу домішок і залежність розміру мікроугруповань від концентрації кремнію. Наслідком означених помилок є неоднозначність у визначенні часу досягнення седиментаційної рівноваги, що, як і інші параметри дифузійної задачі, в тому числі розмір мікроугруповань атомів Si, може бути визначений тільки на основі рішення нестаціонарної задачі седиментації. За наявності нелінійного члена у рівнянні седиментації розвязати його стандартними методами математичного аналізу не можливо. Рівняння розвязували за двома різними асимптотичними методами. Для прямокутної системи координат отримане нелінійне рівняння седиментації розплаву шляхом підпорядкування повного дифузійного потоку умові безперервності
; (1)
; (2)
, (3)
де cV0, cV  початкове та поточне значення об’ємної концентрації; V  об’єм мікроугруповань; , 0  щільність мікроугруповань та середовища;  кутова швидкість;   частка атомів, що бере участь в утворенні мікроугруповань; k  постійна Больцмана; D  коефіцієнт дифузії;   час центрифугування; Т  температура розплаву; N1, N2 – відстань відповідно від внутрішньої та зовнішньої межі обертання розплаву до осі обертання;  – відстань від внутрішньої межі обертання розплаву до точки, що досліджується.
З урахуванням циліндричної поверхні реторти з розплавом використане рівняння дифузії у рухомому середовищі
; (4)
. (5)
Аналітичне рішення рівняння (1) отримане за методом формального параметра з застосуванням кінцевих інтегральних перетворень. Встановлено, що для розрахунку розміру мікроугруповань достатнім є використання рішення нульового наближення задачі (1):

; (6)
; (7)
, (8)

де R1; R2; r1; r2; 1; 2  коефіцієнти та власні числа задачі, що визначаються інтегральними перетвореннями.
Рішення рівняння (4) поблизу внутрішньої межі отримане за методом інтегральної кривої Pohlhausen і Hills. Зміна концентрації за товщиною розплаву, що задана у вигляді параболи
, (9)
описується трансцендентним рівнянням

. (10)
На основі розрахункових концентраційних характеристик u=ѓ(S) та експериментальних результатів з перерозподілу кремнію у розплаві в залежності від умов проведення досліду (, CV0,T) визначали параметр S ,що зв’язаний з dSi співвідношенням
. (11)
Зіставлення даних про діаметри мікроугруповань атомів Si, що отримані за методом седиментації розплаву за виразами (6)…(10) та в результаті електронно-мікроскопічного дослідження швидкоохолоджених плівок, показало високий ступінь їх відповідності [25,30,32]. Це стало основою для використання високошвидкісного охолоджування з рідинного стану при дослідженні розплавів легованих силумінів.

МОДЕЛЬ БУДОВИ АЛЮМІНІЙ-КРЕМНІЄВИХ РОЗПЛАВІВ

Модель будови алюміній-кремнієвих розплавів базується на результатах рентгеноструктурного аналізу [5,6], седиментації розплавів у полі відцентрових сил [8,25,30,32], гартувально-мікроструктурного аналізу [2], даних про щільність [37], в’язкість [7], електроопір [5].
Рідкі силуміни мікронеоднорідні. Структури доевтектичних та евтектичних розплавів (5,0…12,0 ат.% Si) подібні і відрізняються від заевтектичних, що містять 14,0…20,5 ат.% Si. На концентраційних залежностях параметрів структури, в’язкості, щільності, електроопору спостерігається екстремум при 16,5 ат.% Si.
У доевтектичних та евтектичних сплавах при температурах, близьких до плавлення, та концентраціях Si вище 1,5 ат.% утворюються мікроугруповання атомів Si з упаковкою, подібною ПК (Z1=6), з частково ковалентними зв’язками та радіусом першої координаційної сфери r1, рівним 0,25 нм. Мікроугруповання атомів Si розподілені у розупорядкованій зоні, що складається з мікрообластей зі статистичним розподілом атомів Al та Si на основі упаковок типу ПК ( r1 = 0,264…0,265 нм, Z1 = 6), ОЦК ( r1 = 0,284…0,280 нм, Z1 = 8), ГЦК ( r1 = 0,287…0,282 нм, Z1 = 12). З підвищенням концентрації Si зменшується розмір мікроугруповань атомів Si [2]. Збільшується їх кількість [2] і об’ємна частка ділянок розупорядкованої зони зі структурою типу ГЦК [5]. Підвищується розчинність Si у розупорядкованій зоні, що досягає максимального значення в упаковці ГЦК сплаву евтектичного складу [5]. Збереження означених відзнак при високошвидкісній кристалізації забезпечує високий ступінь перенасичення твердого розчину алюмінію у плівках, що містять 12,0 ат.% Si, відповідність характеру залежності найбільш імовірної міжатомної відстані у розплаві r1 та параметра кристалічної решітки алюмінію aAl від концентрації Si [34]. При вмісті Si до 1,5 ат. % мікроугруповання Si не спостерігаються, а атоми Si статистично розподіляються поміж атомами Al.
Заевтектичні розплави з 14,0…20,5 ат.% Si також мають складну мікронеодно-рідну будову [6]. Однак на відміну від доевтектичних розплавів тут елементами структури є мікрообласті зі статистичним розподілом атомів Al та Si на основі упаковок типу ОЦК ( r1 = 0,280 нм; Z1 = 8) и ПК (r1 = 0,265 нм; Z1 = 6), що складають розупорядковану зону, та мікроугруповання зі стехіометрією силіциду AlxSi (x = 3…5) на основі упаковки ГЦК (r1 = 0,306 нм; Z1 = 12). При концентрації Si більш ніж 20,5 ат.% у заевтектичних розплавах знову переважають мікроугруповання атомів Si.
З підвищенням температури розмір мікроугруповань атомів Si зменшується [2]. Змінюється структура розупорядкованої зони: зменшується об’ємна частка мікрообластей з упаковкою атомів, подібною Al у твердому стані (ГЦК), збільшується кількість упаковок типу ОЦК та ПК. Незалежно від вмісту Si, у розплаві посилюється взаємодія різносортних атомів, внаслідок чого у доевтектичних та евтектичному сплавах при температурах, близьких до 750 oС, з’являються мікроугруповання з ближнім порядком різносортних атомів типу силіциду AlxSi, що співіснують з мікроугрупованнями атомів Si. В інтервалі температур 800…865 oС мікроугруповання атомів Si практично відсутні.
Зіставлення моделей рідких силумінів різноманітних концентрацій дозволяє виявити деяку закономірність у переході одних структурних зон в інші при зміні температури та концентрації. В області концентрацій 1,5 ат.% 1,5 % відбуваються помітні зміни у фазовому складі  зменшується об’ємна частка фази . Кореляція параметрів структури розплаву з механічними властивостями відливок спостерігається при Vохол = 120 К/хв і буде відстуня при Vохол = 10…5 К/хв.

СТРУКТУРНІ ОСОБЛИВОСТІ СИЛУМІНІВ, ЛЕГОВАНИХ МАГНІЄМ

Магній істотно змінює будову алюміній-кремнієвих розплавів. Він зменшує розмір мікроугруповань атомів Si, але збільшує мікронеоднорідність у цілому через утворення важкодисоційованих угруповань за типом силіциду магнію. Останні стабільніші, ніж кремнієві, менш схильні до впливу температури, хоча й ті, і інші з підвищенням температури та концентрації Mg (0…2 %) зменшуються. При цьому об’ємна частка мікроугруповань Si зменшується, за типом силіциду  збільшується. В інтервалі температур 750…1000 оС у розплаві відбуваються структурні перебудови [37], найбільш певно пов’язані зі змінами складу і ближнього порядку атомів у мікроугрупованнях за типом силіциду. Подібні зміни в розплаві є при концентрації Mg більшій ніж 1,1% [35].
На прикладі сплаву АК9М2 вивчений вплив Mg та умов охолоджування (Vохол = 20…180 К/хв) на характер процесу кристалізації. При вмісті Mg (0.6…2.0 %) та охолоджуванні розплаву від температури 700 oС до температур фазових перетворень зі швидкістю 20 К/хв порядок виділення фаз такий:
1  ж  Al1; 2  ж   + Al2; 3  ж   +  +Al3; 4  ж   +Si + Al4;
5  ж +  + Al4  Mg8FeSi10Al17 () + Si + Al5; 6  ж   + Si + Al6 ;
7  ж  Mg2Si + Si + Al7; 8  ж  Mg2Si + Si +  + Al8.
Аналіз зразків, загартованих з рідко-твердого стану із застосуванням спеціально розробленого методу електролітичного травлення, що дозволяє розділяти твердий розчин алюмінію на ділянки, відповідні етапам його виділення, дозволив встановити механізми наведених перетворень [28].
Перитектичне, п’яте, перетворення вивчене докладніше, бо воно значною мірою визначає властивості складнолегованих магнієвих силумінів [28]. Особлива роль належить Al – розчину, що контактує з фазою . У сплаві з 0,05 % Mg мікротвердість розчину Al4, що виділяється спільно з фазою , становить H=5 = 340 МПа і значно вище від мікротвердості Al1 (H=5 = 120 МПа). При цьому вміст Mg в Al4 змінюється у межах 0,9…1,5 %, внаслідок чого утворюється фаза  у локальних обємах навіть у сплаві з такою низькою концентрацією Mg. Для повністю закристалізованих відливок сплаву АК9М2 (0,6…2,0 % Mg) подібні відмінності не виявлені. Однак дослідження зразків, що загартовані з рідко-твердої області в момент здійснення четвертого та пятого перетворень показали підвищений вміст Mg в Al4 і відсутність його в Al5. У процесі четвертого перетворення Al4 повністю ізолює кристали фази  від рідини, що не розпалася. При швидкості охолоджування 180 К/хв в окремих мікрообємах розчинення фази  не відзначається, але виявляються зміни у властивостях і складі Al4. Здійснюється трансформація Al4 Al5.
Після завершення четвертого перетворення Mg у складі рідкої фази відстуній.
Зважаючи на це і той факт, що розчинення фази  може здійснюватися тільки за наявності контакту з рідиною, можна зробити висновок, що утворення високомагнієвої фази  за кінетичних умов відбувається у два етапи: I  ж+Al4  ж’, II  ж’+  +Al5+Si через проміжну стадію утворення рідини нового складу.
Таким чином, пояснення характеру змін механічних властивостей сплавів, що містять 0,05…2,0 % Mg, лише з точки зору складу та кількості інтерметалідних фаз не пояснює всієї сукупності спостережуваних експериментальних фактів [19]. Необхідний облік неоднорідності у складі та властивостях алюмінієвої матриці.
Об’ємна частка високоміцних ділянок твердого розчину Al4 у сплаві АК9М2 (0,6… 2,0 % Mg) становить 20…30 %. З одного боку, вони зміцнюють сплав, з іншого  обволікаючи кристали фази , знижують ймовірність утворення та розповсюдження крихких тріщин, схильність до яких звичайно зв’язують з присутністю цієї фази. Значна кількість високоміцного твердого розчину Al4 (20 %) у сплаві з 0,05 % Mg є окремою структурною складовою, що не враховувалася раніше, і визначає високий рівень межі міцності та відносного подовження В і . Додаток магнію стимулює перитектичне, пяте, перетворення, що призводить до зниження В і  внаслідок трансформації Al4 Al5 [19].
При оптимальних режимах обробки розплаву електричним струмом відбуваються значні структурні перебудови [18]. При твердінні зменшується об’ємна частка евтектики +Si+Al4 аж до повної заміни її на Si+Alz і +Alк. Змінюється величина та напрямок дії макронапруг в Al [38] від розтягуючих до стискаючих, останнє стабілізує пересичені розчини Al4 і Alz, що сформувалися у високотемпературній області, і робить неможливим їх розпад при наступному охолоджуванні в рідко-твердому і твердому станах.
Потужним фактором управління структурою і властивостями магнієвих силумінів є температура перегріву в рідкому стані [34,39]. Оптимальні властивості сплаву АК9М2 досягаються або зменшенням вмісту Mg до 0,05…0,3 % (B = 180 МПа;  = 3,0 %), або підвищенням його до 1,5…2,0 % при обмеженні вмісту Cu до 1,2…1,5 % (в = 170 МПа;  = 1,5 %). При вирішенні питання використання брухту та відходів алюмінієвих сплавів VIVII груп, що містять до 13 % Mg, останній варіант є більш прийнятним.

ПРОГНОЗУВАННЯ ВЛАСТИВОСТЕЙ СПЛАВІВ НА ОСНОВІ ФАЗОВОГО АНАЛІЗУ

Для оптимізації властивостей сплавів традиційно використовуються математичні моделі, що описують взаємозв’язок хімічного складу з властивостями. Але вони правомірні лише у тому випадку, коли всередині досліджуваного інтервалу концентрацій будуть відсутні якісні структурні зміни. В ідеалі, уявляється можливою розробка засобу аналізу залежності склад  властивості, який би з’єднав результати
вивчення мікроструктури та статистичної обробки [27,31]. Для з’ясування принципової корисності такого підходу розглянемо залежність механічних властивостей від об’ємної частки фаз у сплаві АК8М3 при зміні вмісту Mg у межах 0,2… 2,0 %.
У мікроструктурі сплаву виявлені сім основних фаз: ; ; Si; Al; ; Mg2Si; CuAl2 (). Лінійному збільшенню вмісту Mg відповідають нелінійні зміни кількісних показників структури. За впливом Mg на об’ємну частку інтерметалідів (особливо Mg2Si та ) можна виділити два інтервали: 0,23 %  [Mg] 107 К/хв).
2. Запропонована модель мікронеоднорідної будови алюміній-кремнієвих розплавів, що задовільно описує результати рентгеноструктурного аналізу, седиментації розплавів у полі відцентрових сил, високошвидкісного охолоджування з рідкого стану, результати досліджень щільності, електроопору, в’язкості. При концентраціях 1,5 ат.% 800 oС характер міжатомної взаємодії у мікроугрупованнях змінюється. В основному утворюються мікроугруповання AlхSi (х = 3…5). Структура розплаву з вмістом Si до 1,5 % подібна структурі розупорядкованої зони. При збільшенні концентрації Si понад 20,5 ат.% у розплаві знову посилюється взаємодія атомів Si. З підвищенням температури мікронеоднорідність розплавів зменшується.
3. Вивчений вплив Zn на структуру, властивості та закономірності кристалізації силумінів. Запропонована модель будови доевтектичних розплавів системи Al-Si-Zn, що за основними елементами не відрізняється від моделі будови двокомпонентних алюміній-кремнієвих розплавів. Цинк, розчиняючись у мікроугрупованнях атомів Si і складних стехіометричних асоціаціях (леговані сплави), у розупорядкованій зоні, змінює параметри мікронеоднорідності і ближній порядок атомів у розплаві. При температурах, що не перевищують 750 оС, Zn зменшує мікронеоднорідність рідкої фази. Найсильніше відбивається вплив Zn на мікроугруповання атомів Si при концентрації його 1,5 %. Структурні перетворення в розплаві, що пов’язані з впливом Zn, корелюють з модифікаціями фазового складу, мікро-, макроструктури, механічних властивостей. При підвищених швидкостях охолоджування (Vохол  120 К/хв) зафіксована розчинність Zn в інтерметалідних фазах , , Cu4NiAl7 і аномальне, відносно впливу інших елементів, зменшення ступеня перенасичення твердого розчину алюмінію, зміцнення якого тим вище, чим нижче швидкість охолоджування в рідкому стані. Запропонований механізм, що пояснює ці ефекти з позицій теорії мікронеоднорідної будови розплаву. Наведені розрахунки, які показують, що кількість Zn у фазах та алюмінієвій матриці залежить від швидкості охолоджування розплаву і лімітується дифузією Zn з мікроугруповань у розупорядковану зону. На основі проведених досліджень обгрунтована доцільність підвищення Zn у сплаві АК5М2 з 0,5 до 1,5 % і створення високоцинковистих силумінів з вмістом Zn до 8 %.
4. Встановлено, що Mg змінює структуру та властивості розплавів силумінів і збільшує їхню мікронеоднорідність внаслідок утворення мікроугруповань за типом силіциду. Співвідношення об’ємних часток мікроугруповань атомів Si і силіцидоподібних визначається температурою і хімічним складом розплаву. З підвищенням температури і концентрації Mg об’ємна частка перших зменшується, а других – збільшується. При температурах вище 800 оС і вмісті Mg більше ніж 1,1 % останні перевищують.
5. Запропонований двостадійний механізм перитектичного перетворення в силумінах, легованих Mg, за участю твердого розчину Al:
I  ж+Al4 ж’; II  ж’++Si +Al5.
Збільшення швидкості охолоджування призводить до придушення перитектичного перетворення. Підвищення концентрації Mg сприяє його завершеності.
6. Виявлена залежність властивостей мікрообємів твердого розчину алюмінію у залежності від типу структурних перетворень при кристалізації. Показаний вплив хімічного складу, швидкості охолоджування, обробки розплаву електричним струмом на утворення високотривких зон твердого розчину і їхня роль у підвищенні механічних властивостей. Відбитий взаємозв’язок складу і властивостей Al з фазовим складом, що дало можливість визначити оптимальні концентраційні інтервали вмісту Mg у сплаві АК9М2: 0,05…0,3 та 1,5…2,0 % Mg.
7. Розроблений статистичний засіб прогнозування властивостей, що враховує структурні параметри, фазовий склад складнолегованих силумінів. Використання його для оптимізації сплавів дозволило виявити неадитивний вплив легованих елементів на механічні властивості, що нівелюються при традиційному моделюванні.
8. Визначені структурні відмінності первинних і вторинних промислових сплавів, особливості їх кристалізації. Для первинних силумінів найхарактернішим є евтектичне перетворення жSi+Al, для вторинних  ж+Si+Al. У первинних сплавах з високим вмістом Fe (0,8 %) останнє перетворення можливе, але воно реалізується за типом подвійних евтектик: Si+Al; +Al. Такий механізм кристалізації потрійної евтектики дозволяє Si у присутності фази  з більш складною кристалохімічною природою зберегти лідируючу роль у парному зростанні і забезпечити утворення колоній высококооперативної евтектики. Основним напрямком підвищення якості вторинних силумінів до рівня первинних є розробка засобів придушення перетворень, що пов’язані з утворенням фази .
9. Досліджений вплив мікродомішок Mn, Cr, Be, Co, Ni, Mo, V, Sr, Y, Zr, B, Cd на структуру та властивості Al-Si сплавів з метою нейтралізації шкідливого впливу заліза. Встановлена періодичність у зміні ступеня їх впливу на мікро-, макроструктуру, фазовий склад і морфологію залізовмісних фаз у залежності від порядкового номера у Періодичній системі хімічних елементів Д.І. Менделеєва. Видані рекомендації з мікролегування сплавів у залежності від засобу одержання відливки.
10. Встановлено, що механізм нейтралізації шкідливого впливу Fe при мікролегуванні полягає у придушенні реакцій утворення фази , зменшенні розміру структурних складових, формуванні нових залізовмісних фаз розгалуженої або глобулярної форми. При збільшенні концентрації Mn, Cr зміни у процесі кристалізації можна описати спрощеною схемою:  +евт.  евт.евт.+перв.   перв. З підвищенням розчинності елемента  компенсатора в евтектичній фазі  її морфологія змінюється у послідовності: ієрогліф (скелет), збільшення розміру ієрогліфу, листя папороті, розростання листя папороті у напрямку осі першого порядку зі стоншенням його гілок. У первинній – глобуль, багатогранник, розгалужений плоскогранний дендрит. У доевтектичних і евтектичних сплавах розгалужена та глобулярна фаза утворюються при співвідношенні (Mn+Cr): Fe = 0, 4…0, 9, у заевтектичних – 0,7…1,0.
11. Розкрита природа сполучення (FeMn)3Si2Al15 (). Показано, що при концентрації Fe  0,7 %, Mn – 0,1…0,8 %, Cr – 0,2…0,4 % (промислові сплави, ГОСТ 1583), фаза  – це твердий розчин змінного складу на базі сполучення Fe2SiAl8, що має гексагональну структуру.
12. Показано, що розплавлені складнолеговані силуміни тривалий час перебувають у структурно-нерівноважному стані, обумовленому збереженням атомних конфігурацій фаз передплавлення. Перехід у рівноважний стан  тривалий процес. Цинк прискорює його. Мідь, магній, залізо посилюють мікронеоднорідність, бо утворюють складні сполучення, розчинення яких вимагає тривалих витримувань у рідкому стані. Ефективним засобом наближення до рівноважного стану є короткочасний перегрів на 150…120 oC. За характером змін структурних параметрів вплив часу витримування в рідкому стані аналогічний підвищенню температури.
13. Отримано експериментальне підтвердження впливу температури перегріву на переохолодження розплавів силумінів і позв’язані з ним особливості процесу кристалізації. Визначено область температур (800…865 oC), охолоджування з якої супроводжується зміною характеру фазових перетворень при твердінні. Встановлено тимчасово-швидкісні критерії, додержання яких необхідне для передачі інформації про структурні особливості розплавів, що обумовлені впливом температури, відливки. Виявлено залежність цих критеріїв від хімічного складу сплаву.
14. Показана можливість управління структурою та властивостями складнолегованих силумінів рідиннофазною обробкою електричним струмом. Встановлено, що під впливом струму оптимальної щільності змінюються ступінь модифікування та дефектність сплавів, кристалографія та морфологія залізовмісних фаз. Запропонований механізм структурних перетворень з позиції мікронеоднорідної будови розплаву.
Розглянутий електроперенос у виділеному обємі мікроугруповання  розупорядкована зона. Показано, що при накладенні різниці потенціалів здійснюється перерозподіл атомів. Ступінь розупорядкування у функції від щільності струму має максимум. Аналіз рішення рівняння електропереносу легуючих елементів та домішок показав, що існує оптимальне значення напруги електричного поля, при якому можливий максимальний перерозподіл іонів. Прямі дифракційні дослідження підтвердили наявність екстремуму в функціональній залежності зміни параметрів ближнього порядку розплавів від щільності струму. Перерозподіл домішок і зміна структури розплаву, обробленого електричним струмом, підтверджуються результатами вимірювання кінематичної вязкості.
15. Експериментально доведено, що нейтралізація шкідливого впливу заліза хімічним (мікролегування) та фізичним (температура, електричний струм) впливами на розплав здійснюється за єдиним механізмом, в основі якого лежить зміна структури розплаву, складу і розміру мікроугруповань, на базі яких відбувається кристалізація фаз, і збереження цих структурних змін при охолоджуванні. Відзнака в тому чи іншому випадках лише у схемах реалізації цього процесу.
При обробці розплаву електричним струмом оптимальної щільності в результаті електропереносу та перерозподілу легуючих елементів утворюються якісно інші за складом і ближнім порядком асоціації атомів, що викликає зміни у процесі кристалізації. При мікролегуванні це досягається шляхом зміни хімічного складу сплаву. В обох випадках структурні модифікації відбуваються в порівняно невеликі терміни внаслідок тотального масопереносу елементів. При термічній обробці масоперенос не інтенсифікований, що вимагає тривалих витримувань у рідкому стані.
16. Досліджений вплив електричного струму на дегазацію алюмінієвих розплавів. Встановлено, що ступінь дегазації в функції від щільності струму описується екстремальною залежністю. Точці екстремуму відповідає максимальний ступінь дегазації. Зниження ефекту дегазації зумовлене підвищенням граничної розчинності водню при зміні структури розплаву під впливом електричного струму. Направлений рух іонів Н+ суттєво не впливає на дегазацію. Перерозподіл водню між анодом і катодом  результат електропереносу домішок, зміни хімічного складу розплаву біля електроду і, отже, граничної розчинності водню.
Найбільш перспективною є дегазація розплаву електричним струмом на жолобі в процесі розливки. Електроперенос домішок у цьому випадку (t

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Похожие документы
Обсуждение

Оставить комментарий

avatar
  Подписаться  
Уведомление о
Заказать реферат!
UkrReferat.com. Всі права захищені. 2000-2019