автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Исследование и разработка модификаторов, закаленных из жидкого состояния, и технологии модифицирования доэвтектических силуминов с целью получения высококачественных отливок транспортного машиностроения

ФИЛИППОВА ИННА АРКАДЬЕВНА

Исследование п разработка модификаторов, закаленных из жидкого состояния, и технологии модифицирования доэвтектических силуминов с целью получения высококачественных отливок транспортного машиностроения

Специальность 05.16.04 - «Литейное производство»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 МАЙ 2011

Москва-2011

4845495

Диссертационная работа выполнена на кафедре технологии литейных процессов Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» и

ОАО «Калугатрансмаш»

Научный руководитель

Заведующий кафедрой ТЛП НИТУ «МИСиС»,

профессор, доктор технических наук Белов Владимир Дмитриевич

Официальные оппоненты:

Заведующий кафедрой Технологии металлов и литейных процессоз МГОУ

профессор, доктор технических наук Батышев Александр Иванович

Заместитель главного металлурга ОАО «АК «Рубин»,

кандидат технических наук Гусева Вера Валерьевна

Ведущая организация: ОАО «КАМАЗ-Металлургия»

Защита состоится «26» мая 2011 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д.212.132.02 при Национальном исследовательском технологическом Университете «МИСиС» по адресу: 119049, г. Москва, Ленинский проспект, д. 6, ауд. А-305.

Отзывы на автореферат диссертации (в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения) просьба направить по адресу: 119049, г. Москва, Ленинский проспект, д. 4, Ученый Совет.

Копии отзывов можно прислать по факсу: (495) 951-17-25, а также на e-mail: vdbelov@mail.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского технологического университета «МИСиС».

Автореферат разослан « » апреля 2011 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д.212.132.02 доктор технических наук, профессор

зйни А.Е,

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы. Отливки из алюминиевых сплавов находят все большее применение в различных отраслях промышленности. При этом основную долю алюминиевого литья составляют отливки из Al-Si сплавов (силуминов), которые обладают высокими механическими, эксплуатационными и литейными свойствами.

Технический и потребительский потенциал этих сплавов может быть повышен и расширен за счет разработки экономных и экологически чистых технологических процессов производства сплавов путем оптимизации состава шихты и применения высокоэффективных методов внепечной обработки. В настоящее время, для повышения свойств силуминов' применяют различные методы обработки расплавов: модифицирование, флюсовое и фильтрационное рафинирование, продувка газом и др. При этом в модифицировании расплава имеется наибольший потенциал повышения их функциональных свойств.

В последние годы модифицирование доэвтектических силуминов в основном осуществляют металлическими лигатурами, в составе которых основными модифицирующими элементами являются титан, бор, цирконий, и др., которые в расплавах алюминия образуют тугоплавкие интерметаллиды, являющиеся центрами кристаллизации первичной фазы ад).

Анализ известных модификаторов и технологии их получения показал, что они существенно различаются по дисперсности структуры и это различие обусловлено разной интенсивностью затвердевания лигатур. Однако вопросы влияния дисперсности структуры модифицирующих лигатур на структуру и свойства доэвтектических силуминов в отливках изучены недостаточно и требуют дальнейших исследований.

Таким образом, разработка быстроохлажденных модификаторов с мелкозернистой структурой для доэвтектических силуминов и исследование их модифицирующего воздействия при литье алюминиевых отливок ответственного назначения представляется актуальной научно-технической задачей.

Пель работы. Разработка закаленных из жвдкого состояния модификаторов для доэвтектических силуминов и исследование их модифицирующего воздействия с целью получения высококачественных отливок транспортного машиностроения.

Научная новизна.

1. Показано, что закаленный из жидкого состояния (ЗЖС) алюминиевый сплав АК7М2 оказывает модифицирующее воздействие на базовый расплав из такого же сплава, при этом эффект модифицирования возрастает по мере повышения дисперсности внутреннего строения закаленного сплава и наибольший уровень механических свойств (0В ~ 200 МПа; 5 = 4,5%) достигается при использовании пластинок толщиной < 0,5 мм, полученных закалкой из жидкого состояния при скоростях охлаждения 105-106 К/с.

2. Установлен высокий модифицирующий эффект обработки доэвтектического силумина закаленным из жидкого состояния аморфным сплавом 50Си-502г, который обусловлен на основании диаграмм состояния Си-2г и А1-2х формированием в расплаве тугоплавких цирконийсодержащих интерметашшдных фаз, служащих центрами кристаллизации фазы адь

3. Выявлены закономерности изменения количества и размеров интерметаллидных фаз в лигатурах А1-5"П, А1-20Т1 и А1-5"П-В с увеличением скорости их охлаждения при закалке из жидкого состояния, а также зависимости механических свойств сплава АК7М2 от расхода указанных модификаторов. Показано, что более высокий модифицирующий эффект достигается при модифицировании лигатурами, закаленными из жидкого состояния при скоростях охлаждения 105-10б К/с, обеспечивая повышение предела прочности на разрыв на 30-35% и относительного удлинения в 2,0-2,5 раза.

Практическая значимость.

¡.Разработаны технологии получения быстроохлажденного сплава АК7М2 в виде гранул закалкой из жидкого состояния и модифицирования им базового расплава такого же состава с целью повышения его механических свойств в отливках транспортного машиностроения.

2.Разработана технология получения быстроохлажденной лигатуры 50Си-502г в виде аморфной ленты толщиной 0,08 мм, закаленной из жидкого состояния при скорости охлаждения 106-107 К/с, которая рекомендуется для модифицирования медьсодержащих силуминов при расходе 0,2% от массы расплава.

3.Получены методами закалки из жидкого состояния при скоростях охлаждения 105-10б К/с быстроохлажденные модификаторы из А1-Т1 и А1-5"П-В сплавов в виде пластинок, применение которых позволяет повысить механические свойства сплава АК7М2 на 15-20 % в сравнении с аналогичными модификаторами в виде чушек и прутков.

4.Проведено опытно-промышленное опробование модификаторов, закаленных из жидкого состояния: АК7М2, А1-5"П-В и 50Си-50& в условиях литейного цеха ОАО

4

«Калугатрансмаш», Изготовлена опытная партия отливок транспортного машиностроения из сплава АК7М2 с повышенными на 27-30 % пределом прочности на разрыв и в 2,0-2,2 раза относительным удлинением при модифицировании лигатурами A1-5TÍ-B и 50Cu-50Zr и, соответственно, на 10-15 % и в 1,5 раза при модифицировании ЗЖС АК7М2. Литые детали прошли все требуемые испытания и признаны годными.

5.Даны рекомендации по применению модификаторов, закаленных из жидкого состояния, при различных условиях литья, в том числе при автоматизации заливки литейных форм.

Апробапия работы.

Основные материалы диссертационной работы доложены и обсуждены: на научно-практической конференции «Наследственность в литейных сплавах», Самарский ГТУ, Самара, 2008; на девятом съезде литейщиков России, Уфа, РАЛ, 2009; на конференции «Энергосберегающие технологи и оборудование для литейного производства», Калуга, РАЛ, 2010; на 8-й всероссийской научно-практической конференции «Литейное производство сегодня и завтра», Санкт-Петербург, С-ПбГПУ, 2010; на конференции «Литейное производство и металлургия 2010 Беларусь», Минск, БАЛиМ, 2010; на научных семинарах кафедры ТЛП МИСиС в 2009-2011 гг.

Результаты диссертационной работы отражены в 9 публикациях в виде статей и тезисов докладов конференций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на страницах машинописного текста, содержит <¿4 рисунков, 2.0 таблицы, состоит го введения, Q глав, выводов, списка литературы из $наименований.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

2.1 Состояние вопроса и постановка задач исследования

Рассмотрены особенности кристаллизации эвтектических, зазвтектических и доэвтекгических. алюминиевых сплавов на основе анализа диаграммы состояния Al-Si. Проанализированы основные принципы повышения механических свойств алюминиевых сплавов методами модифицирования. Особое внимание уделено процессу модифицирования доэвтектических алюминиевых сплавов металлическими мелкокристаллическими лигатурами, содержащими титан, бор и цирконий. Рассмотрены

методы получения модифицирующих лигатур и требования, предъявляемые к ним. Показано, что механические свойства в отливках при неизменном химическом составе, в основном, определяются качеством лигатуры и способом ее ввода в расплав. Наиболее простым и надежным методом повышения модифицирующего воздействия лигатур является повышение скорости охлаждения при их кристаллизации. Проведен анализ методов быстрого охлаждения лигатур. Показано, что повышение скорости охлаждения лигатур при затвердевании способствует измельчению, равномерному распределению и увеличению количества интерметаллидов, которые являются потенциальными зародышами для образования центров кристаллизации первичной фазы ад1.

На основе литературного обзора сделан вывод о том, что наиболее перспективным методом повышения механических свойств алюминиевых сплавов в отливках является модифицирование лигатурами, полученными закалкой из жидкого состояния.

2.2 Методика исследования

Основным объектом исследования являлся доэвтектический силумин АК7М2 ТУ 24.04.13.64-2004 следующего химического состава: 85,8-92,1 % А1; 6-8 % Бг, 1,5-3,0 % Си; 0,2-0,6 % до 1,3 % Ре; сумма примесей - не более 2 %.

Алюминиевый сплав плавили в газовой печи вместимостью 300 кг. В качестве шихты использовали сплавы АК12 и АК5М2 в чушках (ГОСТ 1583-93) и возврат собственного производства (до 30 % от металлозавалки). Шихту расплавляли, перегревали до 800 °С и переливали в ковш вместимостью 5 кг. В ковше расплав модифицировали при температурах 720 °С ± 10 %. Контроль температуры осуществлялся хромель-алюмелевой термопарой, подключенной к автоматическому потенциометру КСП-1.

Быстроохлажденные модификаторы в виде пластинок получали методом переплава готовых лигатур с последующей закалкой их из жидкого состояния. Характеристики модификаторов и методов их получения приведены в таблице 1.

Для сравнительного исследования были выбраны модификаторы, наиболее широко применяемые в литейном и металлургическом производстве России.

Модификатор помещали на дно ковша перед выпуском плавки в ковш. При наполнении ковша расплавом за счет его интенсивного перемешивания достигалось хорошее усвоение модификатора.

Образцы для исследования механических свойств получали заливкой расплава в подогретый до 300 °С стальной кокиль. Прочность и пластичность сплавов АК7М2 определяли на разрывной машине типа Р-5.

Жидкотекучесть сплава изучали по стандартной пробе (ГОСТ 16438-70). Макро- и микроструктуру сплава изучали на изломах и шлифах образцов, залитых для определения механических свойств. Анализ микроструктуры сплавов проводили с использованием микроскопов «КЕОРНОТ-21» и «ЕС МЕТАМ РВ-23» при увеличении до 500-крат.

Таблица 1 - Характеристика модификаторов и методов их получения

Л» п/п Модификатор Форма и размер, мм Метод получения Скорость охлаждения, Юс1'

1. Сплав АК7М2 Гранулы, о = 5-20 Пластинга, Ь = 0,3-0,5 Закалка в воде Закалка на медном диске 10M0J 105-10б

2. Лигатура А15Т1 Слитки, Ь = 20 Пластинки, Ь = 0,3-0,5 Литье в изложницу Закалка на медном диске 40-50 10'-10s

3. Лигатура А120Т1 Пластины, Ь = 6 Пластинки. Ь = 0,3-0,5 Литье в изложницу Закалка на медном диске 10-10z 105-106

4. Лигатура А15ТШ Пруток, ¡1 = 9,5 Пластинки а, 11=0,3-0,5 Формовка, волочение Закалкой на медном диске 150-200 105-10s

5. Лигатура 50Си50гг Пластины, Ь = 6 Лента 0,08 Литье в изложницу Закалка на специальной установке Ю-Ю" 105-107

'' Значения скоростей охлаждения приняли по Мирошниченко И.С. Закалка из жидкого состояния. - Киев;

Наукова Думка, 1974,стр.17.

Поверхность разрушения при разрыве образцов исследовали на сканирующем электронном микроскопе 15М-35 СБ при увеличении до 10000 крат, а микроструктуру на изломах закаленных из жидкого состояния лент толщиной 0,08 мм - на микроскопе «НЬасЫ-ТМ-ЮОО» при увеличении 10000 крат.

Все эксперименты повторяли не менее 3 раз. Из полученных результатов методом математической обработки сначала выявляли грубые ошибки с применением критерия Стьюдента, а затем определяли средние значения и доверительный интервал.

2.3 Исследование влияния быстроохлажденного сплава АК7М2 на структуру и

свойства сплава АК7М2 базового состава

Исследовали влияние скорости охлаждения на микроструктуру сплава АК7М2 и влияние быстроохлажденных добавок этого сплава, полученных закалкой из жидкого состояния, на структуру и свойства базового сплава АК7М2.

Быстроохлажденный сплав (БОС) АК7М2 в виде гранул получали пропусканием жидкого металла через подогретое до 500 °С металлическое сито и путем последующей закалки капель в воде с температурой 20 °С. При закалке в воде капли алюминиевого расплава охлаждались со скоростью 102-104 К/с. Сито использовали с размерами отверстий диаметром от 2 до 25 мм. За счет этого получали гранулы округлой формы, из которых путем сортировки отбирали фракции размером 5,10 и 20 мм.

Пластинки толщиной 0,3-0,5 мм получали на вращающемся медном диске по методике, разработанной на кафедре технологии литейных процессов МИСиС. При этом они охлаждались со скоростью 10-106 К/с.

Для модифицирования сплава АК7М2 в его расплав при температуре 720 °С вводили БОС АК7М2 в виде гранул и пластин в количестве 0,5, 1, 2 и 3 % от массы жидкого металла.

Механические свойства сплава АК7М2 представлены на рис. 1.

Из рис. 1 следует, что с повышением количества вводимого в расплав БОС АК7М2 в виде гранул и тонких пластин, предел прочности на разрыв и относительное удлинение сплава АК7М2 увеличиваются. При этом, с уменьшением размера гранул БОС достигаемый уровень механических свойств сплава АК7М2 повышается. Наибольшие показатели этих свойств достигаются при обработке БОС в виде пластинок толщиной 0,3-0,5 мм. Для выявления природы различного модифицирующего воздействия разных видов БОС исследовали микроструктуру гранул и пластин (рис. 2). Результаты количественного анализа параметров микроструктуры приведены на таблице 2.

Из таблицы 2 следует, что с повышением скорости охлаждения при кристаллизации БОС размер зерна уменьшается, а их количество на одинаковой площади шлифа увеличивается. При этом наиболее дисперсную структуру имеет БОС -модификатор в виде пластины. Он же обеспечивает достижение наибольших значений механических свойств сплава АК7М2. БОС - модификатор АК7М2 в виде гранул диаметром 5 мм и пластин толщиной 0,3-0,5 мм обеспечивают повышение предела прочности на разрыв на 10-12 % и 18-20 %, а относительное удлинение - в 1,5 и в 2,2 раза соответственно.

оВ! МПа 200 190 180 170

1,5

0,5 1,0 2,0 3,0

Количество БОС АК7М2, % б)

Рис. 1. Зависимость предела прочности на разрыв (а) и относительного удлинения (б) от количества введенного БОС АК7М2: 1 - исходный сплав АК7М2; 2, 3, 4 - гранулы диаметром 20, 10 и 5 мм соответственно; 5 - пластинки толщиной 0,3-0,5 мм

3,5 2,5

Рис. 2. Микроструктура БОС АК7М2 в гранулах диаметром 5 мм (а) и пластинках толщиной 0,5 мм (б) 9

№п/п Модификатор Средний размер зерна, мкм Количество зерен, шт / см2

1 Гранулы 0 20 мм 160 3280

2 Гранулы 0 10 мм 130 4200

3 Гранулы 0 5 мм 120 6900

4 Пластинки толщиной 0,3-0,5 мм 5-10 6-10'-1-106

Таким образом, при вводе в расплав АК7М2 быстроохлажденного сплава такого же химического состава, он выполняет функцию модификатора для сплава АК7М2, так как измельчает его структуру. Модифицирующее воздействие закаленного из жидкого состояния сплава АК7М2 на матричный расплав идентичного состава может быть обусловлено несколькими факторами. Этому способствует внесение в расплав вместе с шихтой инородных частиц - потенциальных центров кристаллизации фазы адь Кроме того, нельзя исключать и фактор образования в алюминиевом расплаве новых дисперсных частиц, в том числе и оксида алюминия. Но в основном, на наш взгляд, оно является следствием формирования в расплаве локальных зон растворения модификатора, в которых содержатся мелкие кристаллы адь являющиеся, по существу, идеальными готовыми центрами кристаллизации ад] из базового расплава.

2.4 Исследование влияния быстроохлазденных модификаторов с титаном и

бором на структуру и свойства сплава АК7М2

Исследовали модифицирующее воздействие на сплав АК7М2 быстро-охлажденных модификаторов А1-5Т1, А1-2(Ш и А1-5ТЬВ и оценивали их эффективность в сравнении с аналогичными модификаторами, изготовленными известными производителями.

В А1-Т1 лигатурах, согласно диаграмме состояния А1-"П, присутствует титано-алюминиевый интерметаллид Т1А1з с температурой плавления 1340 °С, который является центром кристаллизации фазы ад).

Лигатуры А1-5Т1 и А1-20Т1 готовили в виде слитков толщиной б и 20 мм и пластинок толщиной 0,3-0,5 мм, которые охлаждались при затвердевании со скоростями 10-Ю2, 40-50 и 105-106 К/с соответственно. Влияние этих лигатур на механические и литейные свойства сплава АК7М2 изучали при расходе их в количестве 0,2-0,5 масс. %.

Зависимость предела прочности на разрыв и относительного удлинения сплава АК7М2 от количества модификаторов А15Т1 и А120Т1 представлена на рис. 3.

Из рис. 3 видно, что с увеличением количества вводимого модификатора, независимо от его химического состава, механические свойства сплава АК7М2 повышаются. Максимальные механические свойства (а, = 235 МПа, 8 = 4 %) достигаются при модифицировании лигатурами в виде пластин толщиной 0,3-0,5 мм.

Средняя твердость на образцах сплавов АК7М2, модифицированных лигатурами: А1-5Т1 в виде слитка толщиной 20 мм и пластинки толщиной 0,3-0,5 мм составляет 82 НВ и 88 НВ соответственно, а лигатурами А1-20Т1 в виде слитка толщиной 6 мм и пластинок толщиной 0,3-0,5 мм - 87 НВ и 90 НВ соответственно.

ОД 0,3 0,4 0,5

Количество введенного модификатора, %

Рис. 3. Зависимость предела прочности на разрыв сплава АК7М2 (а) и относительного

удлинения (б) от количества вводимого модификатора 1 - А1-5"П, слиток толщиной 20 мм; 2 - А1-5Т1, пластинка толщиной 0,3-0,5 мм; 3 - А1-2(Ш, пластина толщиной 6 мм; 4 - А1-20Т1, пластинка толщиной 0,3-0,5 мм

Результаты анализа микроструктуры модифицирующей лигатуры А1-5"П приведены на рис. 4.

а) б)

Рис. 4. Микроструктура модификатора А1-5Т1: а - в виде слитка толщиной 20 мм, б - в виде пластинки толщиной 0,3 мм

Размеры и количество интерметаллидов в лигатурах А1-5Т1 и А1-20Т1 представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Размеры и количество интерметаллидов в лигатурах А1-5"П и А1-20Т1

Лигатура Параметры интерметаллидной фазы Т1А13

Объемная доля, % Размер, мкм Количество, шт./см2

длина ширина

А1-5Т1, слиток, Ь - 20 мм 4,2 118 20 620

А]-5'П, пластинка Ъ = 0,3 мм 5,6 6 2 9 000

А1-20Т1, пластина, Ь = 6 мм 4,8 96 12 600

А1-20Тц пластинка, Ь = 0,3 мм 6,4 5 1 12 000

Анализируя данные рис. 4 и таблицы 3, можно заключить, что с увеличением скорости охлаждения лигатур размер интерметаллидной фазы Т1А13 уменьшается в 20 раз и достигает минимального значения 5 мкм, а их количество увеличивается в лигатурах А1-5Т1 и А1-20Т1 в 13 и 20 раз соответственно. Таким образом, можно утверждать, что повышение механических свойств сплава АК7М2 происходит вследствие ввода в расплав большого количества мелкодисперсных частиц Т1А1з из лигатур, закаленных из жидкого состояния. При этом, при прочих равных условиях, чем больше скорость охлаждения модифицирующих лигатур, тем выше механические свойства сплава АК7М2.

Установлено, что при обработке расплава АК7М2 модификаторами А1-5Т1 и А1-20Т1 жидкотекучесть его изменяется, и это изменение зависит от содержания титана и

способа получения модификатора. Чем выше скорость охлаждения и меньше содержание

титана, тем выше жидкотекучесть расплава, что показано з таблице 4,

Таблица 4 - Показатели жидкотекучести сплава АК7М2 при различных вариантах его

обработки

Без обработки Обработка 0,5 масс. % Al-5Ti Обработка 0,5 масс. % Al-20Ti

h = 20мм h = 0,3-0,5 мм h = 6 мм h = 0,3-0,5 мм

Жидкотекучесть, мм 620 632 5S0 596

Лигатура Al-5Ti-B является наиболее эффективным модификатором для доэвтекгических алюминиевых сплавов вследствие того, что в ней одновременно содержатся тнтан и бор и потому в модификаторе образуется больше центров кристаллизации фазы aAi в виде интерметаллидов TiBi и (Al,Ti)B;> Поэтому в работе исследовали влияние на структуру и механические свойства сплава АК7М2 закаленных из жидкого состояния модификаторов Al-5Ti-B в виде пластин толщиной 0,3-0,5 мм. В качестве неходкой шихты использовали модификаторы в виде прутков диаметром 9,5 мм производства двух зарубежных компаний: I - «Affilips Master Alloys» (Бельгия) и II -«Aliastur-S.A.» (Испания). Эффективность модифицирующего воздействия закаленных модификаторов сравнивали с эффективностью прутковых модификаторов I и II.

Механические свойства сплава АК7М2, модифицированного лигатурами Al-5Ti-B представлены на рис. 5.

Из рисунка 5 следует, что с увеличением количества введенного модификатора Al-5Ti-B механические свойства сплава АК7М2 повышаются. При модифицировании сплава АК7М2 лигатурой Al-5Ti-B в виде пластинок, предел прочности на разрыв повышается на 10-12 %, а относительное удлинение - на 28-30 % по сравнению с модифицированием этого же сплава лигатурами в виде прутка.

ов,МПа 240 220 200

180 -

160

5,%

4.0

3,0 2,0 1,0

- 4 2 .

£-- —а з ,

____-- -НЕ—1—1 :

Г_

а)

____;-* 4

4—— --2

""'4 1.......

------

0,2

0,3

0,4

0,5

5)

Количество модификатора, %

Рис. 5. Зависимость предела прочности на разрыв (а) и относительного удлинения (б)

сплава АК7М2 от количества введенного модификатора А1-5Т1-В: 1 и 3 - прутки диаметром 9.5 мм из лигатур I и II, соответственно; 2 и 4 - пластинки толщиной 0,3- 0,5 мм, изготовленные из лигатур I и II, соответственно; 5 - исходный сплав АК7М2

На рис. 6 представлены микроструктуры прутковой и пластинчатой лигатур. В лигатурах, наряду с фазой адь присутствуют интерметаллиды Т1А1з и ТШг. Размеры и количество иитерметаллидных фаз представлены в таблице 5.

' У: * " :

:: - «

"""ВИГ1'

"«*

Щ

Ш'

К. | - -

а)

> . 1-е- »

5)

Рис. б. Микроструктура лигатуры А1-5'П-В: а - в виде прутка диаметром 9,5 мм (II); б - в виде пластинки толщиной 0,3 мм

Вид модификатора Интерметал- Суммарное Размер ИМ, Количество Скорость

А1-5Т1-В Л11дная (ИМ) количество мкм ИМ, шт/см2 охлаждения,

фаза фазы, % К/с

Пруток, 0 9,5 км ■пв2 4-6

А13Т1 9,5 40-50 400 150-200

Пластинка, Ь = 0,5мм та2 0,1-0,2

10,2 16000 105-106

А13Т1 2-3

Из таблицы 5 следует, что размер интерметаллидиых фаз в пластинках, закаленных из жидкого состояния, меньше в 20-30 раз, а их количество больше в 40 раз по сравнению с интерметаллидяыми фазами в прутке 0 9,5 мм.

Характеристика макроструктуры сплава АК7М2, модифицированного лигатурой А1-5Т1-В, представлена в таблице 6.

Таблица 6 - Характеристика макроструктуры сплава АК7М2

Вид модификатора А1-5Т1-В Количество Т1, масс. % (по ВЕОДу) Количество В, масс. % (по вводу) Средний размер зерна, мм Количество зерен, шт / см2

Пруток, 0 9,5 мм 0,1 0,02 12,5 8

Пластинка, Ь = 0,5 мм 0,1 0,02 8,3 12

Из таблицы б следует, что в сплаве АК7М2, модифицированном лигатурой А1-5Т1-В в виде пластинок толщиной 0,3 мм, средний размер зерна уменьшается в 1,5 раза, а количество зерен увеличивается в 1,6 раза. При этом средняя твердость на образцах АК7М2, модифицированного лигатурой А1-5Т1-В в виде прутка диаметром 9,5 мм составляет 87-90 НВ, а в виде пластинок толщиной 0,5 мм - 85-86 НВ.

На основании полученных результатов можно утверждать, что механические свойства сплава АК7М2 коррелируют со структурой лигатур А1-5'П-В. При этом максимальный уровень механических свойств сплава достигается при введении лигатуры в виде пластинок, охлажденных со скоростью 105-10б °С/с, что связано с введением в расплав большого количества готовых центров кристаллизации фазы аА| и, как следствие, с измельчением его макроструктуры.

Таким образом, при модифицировании лигатурами А1-5Т1, А1-20Т1 и А1-5Т1-В в

виде пластинок толщиной 0,5 мм, достигаются более высокие механические, свойства

сплава АК7М2 по сравнению с модифицированием лигатурами в виде прутка диаметром

9,5 мм и слитков толщиной 6 и 20 мм. Это обусловлено более высокой модифицирующим

15

воздействием быстро-охлажденных лигатур вследствие формирования в них при скорости охлаждения 105-106 °С/с большого количества мелкодисперсных интерметаллидных фаз -центров кристаллизации первичной фазы аА!. Максимальный уровень механических свойств сплава АК7М2 достигаемый при применении лигатуры А1-5Т1-В в виде пластинок толщиной 0,5 мм составляет: ав= 235 МПа, 5 = 4,4 %.

2.5 Исследование влияния модифицирующей лигатуры 50Си-507г, закаленной

из жидкого состояния, на структуру и свойства сплава АК7М2

Для модифицирования доэвтектических силуминов в качестве модификаторов широко применяются титан, бор и цирконий. Причем, если титан и бор часто применяются совместно, то цирконий, как правило, применяют только раздельно. Сведения о модифицирующем воздействии циркония противоречивы Связано это во многом с трудностями и нестабильностью его ввода в расплав алюминия, особенно при получении лигатур с содержанием циркония более 10 %.

В связи с этим в работе исследовали возможность обработки расплава цирконием с помощью быстроохлажденной лигатуры См-2т, которая ранее не применялась для модифицирования алюминиевых сплавов. Сплав системы Си-2г более технологичен в изготовлении и применении, чем сплав системы А1-2г, при этом может содержать в своем составе до 50 % циркония. Лигатура 50Си-502г плавится при температуре 895 °С, что не требует высокого перегрева алюминиевого расплава для её усвоения.

Цирконий для алюминиевых сплавов является модификатором первого рода. С алюминием он образует интерметаллидное соединение типа 2гА1з, которое в структуре сплава выделяется в форме иголок. Температура плавления интерметаллида ггАЬ составляет 1595 "С. Разница межатомных расстояний для интерметаллида 2гА1з и алюминия, по данным Мальцева М.В., составляет 7-8 %. Поэтому интерметаллид 2тАЬ может быть активной подложкой для образования центров кристаллизации в алюминиевых сплавах.

В работе исследовали лигатуру 50Си-502г и её влияние на структуру и свойства сплава АК7М2. Лигатуру готовили по технологии, разработанной на кафедре ТЛП МИСиС. Скорость охлаждения при кристаллизации лигатуры составляла 10б-107 К/с. Лигатуру Си50-2.г50 применяли в качестве модификатора в следующих видах: вафельной пластинки толщиной 6 мм; аморфной и отожженной лент толщиной 0,08 мм и шириной 10 мм. Внешний вид лигатуры 50Си-502г в виде аморфной ленты представлен на рисунке 7.

Механические свойства сплава АК7М2 представлены в таблице 7.

Рис. 7. Аморфная лента толщиной 0,08 мм

Анализ результатов показывает, что модифицирование лигатурой Cu50-Zr50 в виде аморфной ленты ЗЖС, изготовленной при скорости охлаждения 10б-107 К/с, позволяет повысить предел прочности на разрыв сплава АК7М2 на 34 %, пластичность в 2.5 раза по сравнению с немодифицированным сплавом и на 22 % и в 1,4 раза, соответственно, по сравнению с модифицированием лигатурой в виде пластинки толщиной 6 мм. Твердость сплава АК7М2 при модифицировании его лигатурами в виде ленты и пластинки практически остается на одинаковом уровне: 80-85 HB и по сравнению с немодифицированным сплавом повышается на 23 %.

Таблица 7 - Влияние модификаторов на механические свойства сплава АК7М2

Вариант обработки Количество Zr, масс. % (по вводу) Прочность, сг„ МПа Пластичность, S,% Твердость HB

Без обработки - 170 1,8 70

Обработка 0,05 180 3,0 80

пластинами 0,1 185 3,6 86

Ь = 6 мм 0,15 186 4,2 90

Обработка 0,05 215 4,6 78

аморфной 0,1 224 5,4 82

лентой 0,15 228 5,8 86

Обработка 0,05 210 4,4 80

отожженной 0,1 220 4,5 84

лентой 0,15 222 5,1 86

Исследование микроструктуры отожженной аморфной ленты показало, что при нагреве до 400 °С в её структуре выделяется значительное количество частиц интерметаллидной цирконийсодержащей фазы, возможно Си&, размером < 2 мкм (рис. 8).

ХКЗ* 50 Ш!

Рис. 8. Микроструктура отожженной аморфной ленты толщиной 0,08 мм

При введении отожженной ленты в расплав АК7М2 эти частицы могут являться готовыми центрами кристаллизации первичной фазы аА1- Параллельно в расплаве могут образовываться интерметаллидные соединения типа А1з7г. При отжиге лента теряет прочность и становится хрупкой вследствие выделения из аморфного сплава интерметаллидов Си2г.

Исследовали влияние циркония на макроструктуру сплава АК7М2. Полученные результаты приведены в таблице 8.

Таблица 8 - Характеристика макроструктуры сплава АК7М2, модифицированного лигатурой 50Си-502г

№ п/п Вариант обработки Количество Ът, масс. % (по вводу) Средний размер зерна, мм Количество зерен, шт./см

1 Без модификатора - 13,3 7,5

2 Обработка аморфной лентой из Си50-гг50 0,1 8,7 11,5

3 Обработка отожженной лентой из Си50-гг50 0,1 8,0 12,5

Из таблицы видно, что в модифицированных сплавах средний размер зерна уменьшается на 60 %, а количество зерен на фиксированной площади увеличивается на

67 % по сравнению с немодифицированным сплавом. Микроструктуры лигатуры 50Си-5(Кг в виде пластинки толщиной 6 мм и аморфной ленты толщиной 0,08 мм представлены на рис. 9.

б)

в)

Рис. 9. Микроструктура лигатуры 50Си-507г:

а - пластинка толщиной 6 мм, х50; б - аморфная лента толщиной 0,08 мм (шлиф); в - аморфная лента толщиной 0,08 мм (излом)

Сравнительные исследования микроструктур и фазового состава в виде пластинки толщиной 6 мм и ленты толщиной 0,08 мм показали, что в лигатурах в виде ленты количество интерметаллидов значительно больше и их размеры существенно меньше и достигают субмикронного значения.

Более высокий модифицирующий эффект аморфной ленты можно объяснить большим количеством интерметаллидов и меньшими их размерами, а также образованием при расплавлении ленты в среде алюминиевого расплава значительного количества активных подложек - центров кристаллизации первичной фазы адь

Из данных, приведенных в таблице 7, следует, что модифицирующее воздействие лигатуры 50Си-502г в виде аморфной и отожженной лент сопоставимо. Механические свойства сплава АК7М2, обработанного ими, находятся на одинаковом уровне.

Проведены эксперименты по модифицированию алюминиевого сплава АК7М2 лигатурой 50Си-502г в виде аморфной ленты подачей её в струю расплава при переливе его из печи в ковш. В процессе подачи аморфной ленты в струю расплава она подогревалась до 400 °С с целью выделения в структуре субмикронных цирконий-содержащих частиц, которые, попадая в расплав, являются готовыми центрами кристаллизации фазы адь В результате такой обработки получили следующие показатели средних значений механических свойств сплава АК7М2: о,= 202 МПа, 8 = 4,6 %.

Учитывая высокую прочность аморфной ленты 50Си-502г, представляется целесообразным ее введение в струю заливаемого в литейные формы расплава при автоматизации процесса заливки на линиях и конвейерах. Расчеты показали, что время нагрева ленты до температуры 400 "С составляет примерно 1 с.

Таким образом, цирконий в составе лигатуры Си50-2г50 является активным модификатором для доэвтектических алюминиевых сплавов. Охлаждение расплава лигатуры Си50-2г50 со скоростью 106-107 К/с (закалка из жидкого состояния) обеспечивает существенное измельчение интерметаллидов до 1 мкм и увеличение их количества в лигатуре. При этом модифицирование лигатурой Си50-2г50 в виде ленты позволяет повысить прочность сплава АК7М2 на 34 % и пластичность в 2,5 раза по сравнению со сплавом, модифицированным этой же лигатурой в виде пластины толщиной 6 мм. Лигатура Си50-2г50 в виде ленты может быть использована в качестве модификатора, подаваемого в струю сплава, при заливке литейных форм на автоматических линиях и конвейерах.

2.6 Онытно-промышленное опробование

Опытно-промышленное опробование проводили в литейном цехе ОАО «Калугатрансмаш» при производстве из алюминиевого сплава АК7М2 трех наименований отливок транспортного машиностроения (рис. 10).

Сплав плавили в газовой тигельной печи емкостью 300 кг, В качестве шихты применяли сплавы АК12 и АК5М2 ГОСТ 1583-95 в соотношении 30/50 и возврат собственного производства в количестве 30 % от массы металлозавалки. После расплавления шихты расплав перегревали до 780-800 "С. Модифицировали его в ковше при температуре 720 °С и после перемешивания разливали по формам. Параллельно заливали образцы для контроля механических свойств.

Щит задний, ГК 00.001 Щит задний, ГЧ 30.100

Рис. 10. Отливки-представители

Условия проведения опробования и полученные результаты приведены в табл. 9.

Таблица 9 - Составы и количество применяемых модификаторов

1 № Состав модификатора Количество Наименование Количество 5>

п/п модификатора, и обозначение отливок МПа %

масс. % отливки

1 Сплав АК7М2, 3 Корпус коробки

пластинка, Ь = 0,5 мм КШГ 1.01.20.021 5 186 3,1

2 А1-5Т1-В, 0,5 Щит задний 5 218 4,6

пластинка, Ь= 0,3 мм ГК 00.001

3 50Си-50гг, 0,2 Щит задний 5 226 5,4

лента, Ь = 0,08 мм ГЧ 30.100 ...

Типовая структура сплава АК7М2, модифицированного аморфной лентой 5С&-50Си в отливках представлена на рис. 11.

Выборочно отливки разрезали в наиболее дефектных местах для проверки на наличие дефектов пористости. Остальные опытные отливки прошли механическую обработку, полученные детали признаны ОТК годными и допущены на сборку. Успешно прошли стандартные испытания в составе изделий на стендах испытательной станции.

3. ВЫВОДЫ

1. Установлено, что сплав АК7М2, полученный закалкой из жидкого состояния, оказывает на базовый расплав такого же состава модифицирующее воздействие, которое возрастает по мере увеличения дисперсности его структуры,

2. Разработаны технологии получения закаленного из жидкого состояния сплава АК7М2 в виде гранул диаметром 5-20 мм и пластинок толщиной 0,5 - 0,6 мм, применение которых обеспечивает, при прочих равных условиях, повышение предела прочности на разрыв на 10-15 % и относительного удлинения в 1,5-2,2 раза.

3. Впервые проведены сравнительные исследования структуры и свойств сплава АК7М2, модифицированного закаленными из жидкого состояния лигатурами А1-Т1, А1-Т1-В, Си^г и известными лигатурами такого же состава, изготовленными в виде чушек и прутков, которые показали, что более высокий модифицирующий эффект достигается при модифицировании лигатурами, закаленными из жидкого состояния при скоростях охлаждения 105-10' К/с, обеспечивая повышение предела прочности на разрыв на 30-35 % и относительного удлинения в 2,0-2,5 раза.

Рис. 11. Типовая структура сплава АК7М2, модифицированного аморфной лентой 502г-50Си в отливках

4. Впервые исследована в качестве модификатора доэвтектического силумина лигатура 50Си-502г, полученная закалкой из жидкого состояния при скоростях охлаждения 106-1О7 К/с в виде аморфной ленты толщиной 0,08 мм с прочностью 500 МПа, и показано, что цирконий в составе лигатуры 50Си-502г является активным модификатором для доэвтектических алюминиевых сплавов и обеспечивает при расходе лигатуры 0,2 % от массы модифицируемого сплава повышение предела прочности на разрыв сплава АК7М2 на 34 % и относительного удлинения в 2,5 раза по сравнению с не модифицированным сплавом и на 24 % ив 1,4 раза, соответственно, по сравнению с сплавом, модифицированным пластинами толщиной 6 мм.

5. Установлены зависимости структуры и механических свойств сплава АК7М2 от количества введенного в расплав модификатора 50Сц-502г в виде лент толщиной 0,08 мм, полученных закалкой из жидкого состояния со скоростью 106-107 К/с, и показано, что в аморфном и отожженном состояниях они обеспечивают одинаковый результат модифицирования, при этом их модифицирующее воздействие обусловлено как введением в расплав готовых центров кристаллизации в виде интер.металлида 2гСи, так и формированием в алюминиевом расплаве интерметаллидов А1э&.

6. Разработанные быстроохлажденные модификаторы рекомендуются для модифицирования доэвтектических алюминивых сплавов с целью измельчения первичной фазы ад], при этом модификатор 50Си-502г предназначается преимущественно для модифицирования медьсодержащих алюминиевых сплавов, а принцип самомодифицирования сплава АК7М2 таким же сплавом, закаленным из жидкого состояния, может быть применим для широкой номенклатуры алюминиевых сплавов.

7. Проведено опытно-промышленное опробование разработанных модификаторов, закаленных из жидкого состояния, в условиях литейного цеха ОАО "Калугатрансмаш".

Из сплава АК7М2, приготовленного с применением новых типов модификаторов, получена опытная партия из трех наименований фасонных отливок транспортного машиностроения с повышенными показателями механических свойств, которые прошли все требуемые испытания и признаны годными.

8. Ожидаемый экономический эффект от внедрения новых модификаторов составит 11-12 тыс. руб. на тонну годных отливок, в зависимости от применяемого вида модификатора, за счет удешевления шихты и снижения массы отливок.

Основные результаты работы представлены в публикациях:

1.Филиппова И.А., Дибров И.А., Белов В.Д. Повышение механических свойств алюминиевых сплавов модифицированием лигатурами, полученными закалкой из жидкого состояния // Литешцик России. - 2009. - № 3. - с. 30-33.

2. Филиппова И.А. , Дибров И.А., Белов В.Д. Повышение механических свойств алюминиевых отливок методом модифицирования лигатурами, полученными закалкой из жидкого состояния// Труды девятого съезда литейщиков России. - Уфа: РАЛ. - 2009. - с.

3. Филиппова И.А., Дибров И.А., Белов В.Д. Модифицирование алюминиевых сплавов лигатурами, полученными закалкой из жидкого состояния // Литейщик России. -2009. -Ка 12. - с. 35-38

4. Филиппова ИА., Дибров И.А., Белов В.Д. Модифицирование доэвтектических алюминиевых сплавов лигатурами, полученными закалкой из жидкого состояния. Литейное производство сегодня и завтра. Труды 8-й Всероссийской научно-практической конференции. Санкт-Петербург: С-ПбГПУ, 2010. - с. 81-88.

5. Утешев Г.В., Филиппова ИЛ. Реконструкция литейного цеха ОАО «Калугатрансмаш» // Литейщик России. -2009. - № 4. - с.25 -27

6. Filippova I.A., Dibrov I.A., Belov V.D. Modification of Aluminium Alloys with Master Alloys Obrained by Quencing from Liguid State// Revista de Tumatorie. -2010. -№5-6.-с. 35-37.

7. Утешев Г.В., Филиппова ИЛ. Изготовление выплавляемых моделей литниковой системы методом свободной заливки // Литейщик России, 2009. 5. - с.20 -22.

8. Белов В.Д, Филиппова И.А., Дибров И.А. Модифицирование доэвтектических алюминиевых сплавов циркониевыми лигатурами, закаленными из жидкого состояния. // Литейщик России. - 2011. - № 1. - с. 41-44.

9. Филиппова И.А, Белов В.Д., Дибров ИЛ. Модифицирование алюминиевых сплавов лигатурами Al-Ti-B, закаленными из жидкого состояния II Литейщик России. -20И.-№3. -с. 38-40.

101-104.

Введение.

1. Состояние вопроса и постановка задачи исследования.

1.1 .Анализ структуры силуминов согласно диаграмме состояния А1-8к;.

1.2.Жидкое состояние алюминиевых расплавов, растворимые и нерастворимые примеси.

1.3. Модифицирование алюминиевых сплавов.

1.4. Технологические методы измельчения; структуры алюминиевых сплавов.

1.5. Модифицирование силуминов флюсами.

1.6.Модифицирование эвтектических алюминиевыхсплавов.

1.7. Модифицирование заэвтектических алюминиевых сплавов.

1.8. Модифицирование доэвтектических алюминиевых сплавов.

1.9. Лигатуры для модифицирования доэвтектических алюминиевых сплавов.

1.10; Требования к лигатурам и способы улучшения качества модифицирующих лигатур для алюминиевых сплавов.

111 Г.Методы быстрого охлаждения литейных сплавов и лигатур:.

1.12. Выводы-по литературному обзору и постановка задачи исследования.

2. Методика исследования.

2.1. Объект исследования и его характеристика.

2.2. Методика приготовления сплава и его модифицирования;.

2.3. Методика исследования механических и литейных свойств.

2.4. Математическая обработка результатов исследования.

2.5.Изготовление модифицирующих лигатур методом закалки из жидкогосостояниж.

2.6. Методика металлографических исследований.

3. Исследование влияния быстроохлаиоденного сплава АК7М2 на структуру и свойства сплава АК7М2 базового состава.

4. Исследование влияния быстроохлаяоденных модификаторов, с титаном и бором на структуру и механические свойства сплава

АК7М2.

4.1. Исследование влияния лигатур A15-Ti и Al-20Ti на структуру и механические свойства сплава АК7М2.

4.2. Исследование влияния лигатуры Al-5Ti-B на структуру и механические свойства сплава АЕС7М2.

5. Исследование влияния быстроохланеденных модификаторов 50Cu-50Al; Cu-5Ti, 50Cu-50Zr на структуру и свойства сплава АК7М2.

5.1. Исследование влияния лигатуры 50А1-50Си на структуру и свойства сплава АК7М2.

5.2. Исследование влияния лигатуры Cu-5Ti на структуру и свойства сплава АК7М2.;.

5.3. Исследование влияния лигатуры 50Cu-50Zr на структуру и свойства сплава АК7М2.

5.4. Расчет времени нагрева аморфной ленты до температуры 400 °С.

6. Опытно-промышленное опробование.

Актуальность работы. Отливки из алюминиевых сплавов находят все большее применение в различных отраслях промышленности. При этом i основную долю алюминиевого литья составляют отливки из Al-Si сплавов (силуминов), которые обладают высокими механическими, эксплуатационными и литейными свойствами.

Технический и потребительский потенциал этих сплавов может быть повышен и расширен за счет разработки экономных и экологически чистых технологических процессов производства сплавов, путем оптимизации состава шихты и применения высокоэффективных методов внепечной обработки. В настоящее время, для повышения свойств силуминов i применяют различные методы обработки расплавов: модифицирование, флюсовое и фильтрационное рафинирование, продувка газом, и др. При этом в модифицировании расплава имеется наибольший потенциал повышения их функциональных свойств.

В последние годы модифицирование доэвтектических силуминов в основном осуществляют металлическими лигатурами, в составе которых основными модифицирующими элементами являются титан, бор, цирконий, и др., которые в расплавах алюминия образуют тугоплавкие интерметаллиды, являющиеся центрами кристаллизации первичной фазы аЛь

Анализ известных модификаторов и технологии их получения показал, что они существенно различаются, по дисперсности структуры, и это различие обусловлено разной интенсивностью затвердевания лигатур. Однако вопросы влияния дисперсности структуры модифицирующих лигатур на структуру и свойства доэвтектических силуминов в отливках изучены недостаточно и требуют дальнейших исследований.

Проведение данной работы вызвано производственной необходимостью повышения механических свойств отливок транспортного машиностроения ОАО «Калугатрансмаш», получаемых из доэвтектического силумина АК7М2. Типовые корпусные отливки представлены на рис.1.

Рис. 1. Корпусные отливки из сплава АК7М2, получаемые литьем в металлические формы на Калужском заводе транспортного машиностроения

В настоящее время для повышения механических свойств отливок из доэвтектических силуминов применяются различные технологические методы, в том числе: увеличение скорости охлаждения отливок при кристаллизации, применение мелкодисперсных шихтовых материалов, получаемых при скоростях охлаждения 10-10 К/с, физические и механические методы воздействия на кристаллизующийся расплав в отливках и пр.

На основании анализа существующих данных сделан вывод, что в условиях ОАО «Калугатрансмаш» невозможно существенно повысить скорость охлаждения отливок, получаемых литьем в металлические формы, 5 так как требуется обеспечение скорости охлаждения до 103 К/с. Получать или I производить специальную мелкодисперсную шихту для дальнейшего переплава экономически не целесообразно.

Наиболее эффективно, перспективно и целесообразно' применять модифицирование расплава мелкодисперсными модификаторами, полученными закалкой из жидкого состояния.

Таким образом, разработка быстроохлажденных модификаторов с мелкозернистой структурой для доэвтектических силуминов и исследование их модифицирующего воздействия при литье алюминиевых отливок ответственного назначения представляется актуальной научно-технической задачей.

Цель, работы. Разработка закаленных из жидкого состояния модификаторов для доэвтектических силуминов и исследование их модифицирующего воздействия с целью получения высококачественных отливок транспортного машиностроения.

Научная новизна.

Показано, что закаленный из жидкого состояния« (ЗЖС) алюминиевый сплав. АК7М2 оказывает модифицирующее воздействие на базовый расплав из такого же сплава, при этом эффект модифицирования возрастает по мере повышения дисперсности внутреннего строения закаленного сплава и наибольший уровень механических свойств (св ~ 200 МПа; 5 = 4,5 %) достигается при использовании пластинок толщиной < 0,5 мм, полученных закалкой из жидкого состояния при скоростях охлаждения 105-106 К/с.

Установлен высокий модифицирующий эффект обработки доэвтектического силумина закаленным из жидкого состояния аморфным сплавом 50Си-50гг, который обусловлен на основании диаграмм состояния Сп-Хх и А\-Хг формированием в расплаве тугоплавких цирконийсодержащих интерметаллидных фаз, служащих центрами кристаллизации фазы аА1. 6

Выявлены закономерности изменения количества и размеров интерметаллидных фаз в лигатурах А1-5Т1, А1-2(Ш и А1-5Т1-В с увеличением скорости их охлаждения при закалке из жидкого состояния, а также зависимости механических свойств сплава АК7М2 от расхода указанных модификаторов. Показано, что более высокий модифицирующий эффект достигается при модифицировании лигатурами, закаленными из жидкого состояния при скоростях охлаждения 105-106 К/с, обеспечивая повышение предела прочности на разрыв на 30-35 % и относительного удлинения в 2,0-2,5 раза.

Практическая значимость.

1. Разработаны технологии получения быстроохлажденного сплава АК7М2 в виде гранул закалкой из жидкого состояния и модифицирования-им базового расплава такого же состава с целью повышения его механических свойств в отливках транспортного машиностроения.

2. Разработана технология получения быстроохлажденной лигатуры 50Си-502г в виде аморфной" ленты толщиной 0,08 мм, закаленной* из

- »г жидкого состояния при* скорости* охлаждения» 10-10 К/с, которая рекомендуется для модифицирования* медьсодержащих силуминов! при1 расходе 0;2 % от массы расплава.

3:. Получены методами закалки из жидкого состояния при скоростях охлаждения 105-106 К/с быстроохлажденные модификаторы^ из АКП и А1-5Т1-В сплавов в виде пластинок, применение которых позволяет повысить механические свойства сплава АК7М2 на 15-20 % в сравнении с аналогичными модификаторами в виде чушек и прутков.

4. Проведено опытно-промышленное опробование модификаторов, закаленных из жидкого состояния: АК7М2, А1-5ТьВ и 50Си-502г в условиях литейного цеха ОАО5 «Калугатрансмаш». Изготовлена опытная партия отливок транспортного машиностроения из сплава АК7М2 с повышенными на 27-30 % пределом прочности на разрыв-и в 2,0-2,2 раза относительным 7 удлинением при модифицировании лигатурами А1-5Т1-В и 50Си-507г и, соответственно, на 10-15 % и в 1,5 раза при модифицировании ЗЖС АК7М2. Литые детали прошли все требуемые испытания и признаны годными.

5. Даны рекомендации по применению модификаторов, закаленных из жидкого состояния, при различных условиях литья, в том числе при автоматизации заливки литейных форм.

Апробация работы.

Основные материалы диссертационной работы доложены и обсуждены: на научно-практической конференции «Наследственность в литейных сплавах», Самарский ГТУ, Самара, 2008; на девятом съезде литейщиков России, Уфа, РАЛ, 2009; на конференции «Энергосберегающие технологи и оборудование для литейного производства», Калуга, РАЛ, 2010; на 8-й всероссийской научно-практической конференции «Литейное производство сегодня и завтра», Санкт-Петербург, С-ПбГПУ, 2010; на конференции «Литейное производство и металлургия 2010 Беларусь», Минск, БАЛиМ, 2010; на научных семинарах кафедры ТЛП МИСиС в 20092011 гг.

Результаты диссертационной работы отражены в,9 публикациях в виде статей и тезисов докладов конференций.

выводы

1'. Установлено, что сплав АК7М2, полученный закалкой из жидкого состояния, оказывает на базовый расплав такого же состава модифицирующее воздействие, которое возрастает по мере увеличения дисперсности его структуры.

2. Разработаны технологии получения закаленного из жидкого состояния сплава АК7М2 в виде гранул диаметром 5-20 мм и пластинок толщиной 0,3-0,5 мм, применение которых обеспечивает, при прочих равных условиях, повышение предела прочности на разрыв на 10-15 % и относительного удлинения в 1,5-2,2 раза по сравнению с не модифицированным сплавом.

3. Впервые проведены сравнительные исследования структуры и свойств сплава АК7М2, модифицированного закаленными из жидкого состояния лигатурами А1-Тл, А1-ТьВ, Си^г, и известными лигатурами такого же состава, изготовленными в виде чушек и прутков, которые показали, что более высокий модифицирующий эффект достигается при модифицировании лигатурами, закаленными из жидкого состояния при скоростях охлаждения г *ч

10 -10 К/с, обеспечивая повышение <тв на 30-35 % и 5 в 2,0-2,5 раза.

4. Впервые исследована в качестве модификатора доэвтектического силумина лигатура 50Zr-50Cu, полученная - закалкой* из жидкого состояния при скоростях охлаждения

106-107 К/с в виде аморфной ленты толщиной

0,08 мм с прочностью 500 МПа, и показано, что цирконий в составе лигатуры

502г-50Си является активным модификатором для доэвтектических алюминиевых сплавов и обеспечивает при расходе лигатуры 0,2 % от массы модифицируемого5 сплава повышение предела прочности на растяжение сплава АК7М2 на 34 % и относительного удлинения в 2,5 раза по сравнению

142 с не модифицированным сплавом и на 22 % и в 1,4 раза, соответственно, по сравнению со сплавом, модифицированным пластинами толщиной 6 мм.

5. Установлены зависимости структуры и механических свойств сплава АК7М2 от количества введенного в расплав модификатора 50Си-502г в виде лент толщиной 0,08 мм, полученных закалкой из жидкого состояния со скоростью 106-107 К/с, и показано, что в аморфном и отожженном состояниях они обеспечивают одинаковый результат модифицирования, при этом их модифицирующее воздействие обусловлено как введением в расплав готовых центров кристаллизации в виде интерметаллида ЪгСи, так и формированием в алюминиевом расплаве интерметаллидов А\3Ъг.

6. Разработанные быстроохлажденные модификаторы рекомендуются для модифицирования доэвтектических алюминивых сплавов с целью измельчения первичной фазы ад1, при этом модификатор 50Си-502г предназначается преимущественно для модифицирования - медьсодержащих алюминиевых сплавов, а принцип самомодифицирования сплава АК7М2 таким же сплавом, закаленным из жидкого состояния, может быть применим для широкой номенклатуры алюминиевых сплавов.

7. Проведено опытно-промышленное опробование разработанных модификаторов, закаленных из жидкого состояния, в условиях литейного цеха ОАО "Калугатрансмаш".

Из сплава АК7М2, приготовленного с применением новых типов модификаторов, получена опытная партия из трех наименований фасонных отливок транспортного машиностроения с повышенными показателями механических свойств, которые прошли все требуемые испытания и признаны годными.

8. Ожидаемый экономический эффект от внедрения новых модификаторов составляет 11-12 тыс. руб. на тонну годных отливок, в зависимости от применяемого вида модификатора, за счет удешевления шихты и снижения массы отливок.

1. Золотаревский B.C., Белов Н.А.//Металловедение литейных алюминиевых сплавов. М., МИСиС, 2005.- 376 с.

2. Белов H.A., Савченко C.B., Хван A.B. // Фазовый состав и структура силуминов. М., МИСиС, 2008.- 284 с.

3. Пикунов М.В.// Плавка металлов. Кристаллизация сплавов. Затвердевание отливок. М., МИСИС, 2005.- 376 с.

4. Никитин В. И., Никитин К. В. Наследственность в литых сплавах. Изд. 2-е перераб. и дот М.: Машиностроение 1, 2005.- 476 с.

5. Автореферат на соискание ученой степени к.т.н. Никитина A.B., Владимир, 2003.- С. 5-18.

6. Метастабильные и неравновесные сплавы/ Ефимов Ю.В., Варлимонт Г., Мухин Г.Г. и др. / Под ред. Ефимова Ю.В. -М.: Металлургия, 1988.-383 с.

7. Лифшиц Б.Г. Металлография. М., Металлургия, 1963 г. — 422 с.

8. Мальцев М.В. Модифицирование структуры металлов и сплавов. М: Машгиз, 1963.- 300 с.

9. Великолуцкий P.E. Исследование первичных кристаллов в модифицированных заэвтектических силуминах/Цветные металлы.-2001.-№3.-С. 76-78

10. Кольчурина И.Ю. Влияние фосфора на микроструктуру и. свойства силуминов / И.Ю. Кольчурина, И.Ф. Селянин, В.М. Федотов // Вестник Алтайского государственного технического университета. 2005. -№ 34. С. 128-129

11. П.Марукович Е.И., Стеценко В.Ю. Повышение свойств алюминиевых сплавов/ Сборник Металлургия и литейное производство. 2007. Беларусь

12. Малиновский P.P., Барбашин H.H., Вопросы производства отливок изалюминиевых сплавов. -М.: Машиностроение, 1966.- С. 70-96;145

13. Напалков В.И., Махов С.В: Легирование и модифицирование алюминия и магния. М.: МИСИС, 2002.- 376 с.

14. Литейные сплавы и плавка: Учебник для студ. высш. учеб. заведений/ Трухов А.П., Маляров А.И. М.: Издательский центр «Академия», 2004.- 336 с.

15. Рутман М.М., Черепок Г.В., Нонин М.М. О влиянии метода отливкилигатур на свойства слитков алюминиевых сплавов, отлитых непрерывным методом // Алюминиевые и специальные сплавы. Вып. 2.М., 1996.- С. 68-71.

16. Nikitin V.I. Theory and practical application of the structural heredity phenomenon in the production of aluminum alloys// 60th World foundry congress. The Hague. 1993. P. 35.2-35.11.

17. Добаткин В.И., Елагин В.И. Гранулируемые алюминиевые сплавы. М.: Металлургия, 1981.- 176 с.

18. Колпашников А.И., Ефремов А.В. Гранулированные материалы. М.: Металлургия, 1977.- 240 ci

19. Langerweger I. Legierungstechnik and Schmelzebehudlung mit Vorlegierungen in der Aluminium-Industrie// Sthweiz. alum. Rdsch. 1982. 32, №2. S. 51-57.

20. Современные методы применения лигатур в алюминиевой промышленности: Рефераты// Технология легких сплавов. 1982. №1112.- С. 69-70.

21. Кимстач Г.М. О гранульной технологии литья// Литейное производство. 1986. №10.- С. 7-8.

22. Брежнев Л.В. Использование явления наследственности в производстве отливок из силумина и бронзы// Наследственность в литых сплавах: Тез. докл. IV межотрасл. науч.-техн. сем. Куйбышев: КПтИ, 1990.- С. 33-34.1.>сплавов. 1982. №6.- С. 15-17.

23. Никитин» В.И. Применение гранул- в- технологии! плавки1 и литья// Литейное производство. 1987. №7.- С. 3-4.

24. Никитин В.И., Парамонов A.M. Повышение эффективности модифицирования алюминиевых сплавов// Прогрессивные технологические процессы в литейном производстве. Омск: ОмПИ, 1981.- С. 116-120.

25. Производство отливок и сплавов цветных металлов: Учебник для вузов./ Курдюмов A.Bi, Пикунов М.В., Чурсин В.М., Бибиков E.JT. 2/е изд., доп. и перераб./ М.: МИСИС, 1996.- 504 с.

26. Ковнеристый Ю.К., Осипов Э.К., Тимофеева Е.А. Физико-химические основы создания аморфных металлических сплавов — М.: Наука, 1983.145 с.

27. Водород и свойства сплавов алюминия с кремнием / Афанасьев В.К., Афанасьева И.Н., Попова М.В., Герцен В.В., Сарлин М.К. — Абакан: Хакасское кн. Изд-во, 1998:— 192 с.

28. Деев- В;Б. Получение герметичных алюминиевых сплавов из вторичных материалов. М'.: Флинта: Наука, 2006. - 218 с.

29. Цветное литье. Легкие сплавы: инженерные монографии по литейному производству/ под ред. Проф. Колобнева И.Ф. М: Машиностроение, 1966.-391 с.

30. Никитин В.И., Черепок Г.В., Нонин М.М. // Цветные металлы. 1981. - №1—С. 79-80.

31. Салли И. В. Кристаллизация сплавов. Киев: Наукова Думка, 1974.-• 239 с.

32. Мирошниченко И.С. Закалка из жидкого состояния. М.: Металлургия, 1982.- 168 с.

33. Jones Н/ Rapid Solidification of Metals and Alloys. -: Northway House, 1982. 83 p.

34. Баландин Г.Ф. Литье намораживанием. M.- МАТТТГИЗ, 1962.

35. Дураченко A.M., Духин А.И., Борисов В.Т. и др. ДАН СССР, 1975. Т.2. 225.2.

36. Kostron Н. // Z. Metallkunde. 1952. Bd. 43. No 8. S. 269-284.

37. Салли И.В., Дзензерский, Соколов B.B. и др. Сплавы редких металлов с особыми физическими свойствами. Сб. научных трудов. -М.: Наука, 1974.- с. 68-70.

38. Исследование структуры аморфных металлических сплавов. Тезисьъ докладов конференции. М.: МИСИС, 1980.-207 с.

39. Труды международной научно-технической конференции. Литейное производство и металлургия. 2009, Беларусь. С. 259.

40. Паркин A.A., Никитин В.И. (СамГТУ, г. Самара)// Труды восьмого съезда литейщиков России. Том-1. Черные и цветные сплавы: Ростов-на-Дону, 2007.- С. 211-212.

41. Шаров.М.В., Пименов Ю.П.: в кн. Свойства расплавленных металлов. -М.: Наука, 1974.- С. 106-109.

42. Franz L. // Metallkunde.- 1967/ Bd 58 - Hf. 11/ - S. 777-779.

43. Строганов Г.Б., Ротенберг В.А., Гершман Г.Б. Сплавы алюминия с кремнием. -М.: Металлургия, 1979. 273 с.

44. Баландин. Г.Ф. Формирование кристаллического строения отливок. Кристаллизация в литейной форме. 2-е изд., перераб. М.: Машиностроение, 1973.-288 с.

45. Данилов В.И. Строение и кристаллизация жидкости, АН УССР, Киев, 1956.

46. Добаткин В. И. Слитки алюминиевых сплавов. Металлургиздат, 1960.176 с.

47. Данков П.Д. Кристаллохимический механизм взаимодействия поверхности кристалла с чужеродными элементарными частицами. ЖФХ, 1946, т. 20, вып. 8, с. 853-867.

48. Mareantonio I., Mondalfo L. // Metallurg. Trans. 1971/ - V2 - p. 465 -471.

49. Maxwell I., Hellawtll A. // Metallurg. Trans. 1972/ - V3 - #6/ p 1487, -1493.i

50. Zupanie F., Spaic S.,Krizman A. //Mater. Sei. Technol., dec. 1998. 14(12). -h. 1203-1212.

51. Cisse I., Rtrr H., Boiling G. // Metallurg. Trans. 1974. №3 -p. 633-641.

52. Крушенко Г.Р., Никитин В.И., Шпаков В.И. В кН. Свойства сплавов в отливках. -М.: Наука: С. 137-140.

53. Мондольфо Л.Ф. Структура и свойства алюминиевых сплавов.: Перевод с английского под редакцией Ф.И. Квасова, Г.Б. Строганова, Фринляндера И.Н. -М.: Металлургия, 1979, 639 с.

54. Справочник. "Цветное литье". М.-Машиностроение, 1989

55. Румшинский Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента. М.: Наука, 1971.- 192 с.

56. Никитин В.И., Кондалова Е.Г., Макаренко А.Г., Бубнов Н.В. Структура Al-Ti-B лигатуры, полученной СВС.// Литейное производство. 1977. №8-9. С. 19-20.

57. Бродова И.Г., Поленец И.В., Попель П.С. Роль структуры лигатурных сплавов при модифицировании алюминиевых сплавов цирконием// Физика металлов и металловедение. 1989: №5.- С. 94-96.

58. Соловьев В.П. Обработка экспериментальных результатов: М: МИСиС, 1988.- С.52

59. Мальцев М.В. Металлография промышленных цветных металлов, и сплавов., 2-е изд. -М., Металлургия, 1970.- 364 с.

60. Баландин Г.Ф. Формирование кристаллического строения отливок.-М. Машиностроение.- 1973.

61. Альтман М.Б., Стромская Н.П. Повышение свойств стандартныхлитейных алюминиевых сплавов. М.: Металлургия, 1984, 127с.

62. Бранчуков Д.Н., Панфилов A.B., Петрунин A.B., Панфилов A.A. Разработка технологии гетерофазного рафинирования сплавов// Сб. науч. тр. «Новые материалы и технологии в машиностроении». — Брянск: БГИТА. 2006. - вып.5.- С. 24-25.

63. Алабин А.Н. //Исследование и разработка алюминиевых сплавов с добавкой циркония, упрочняемых без закалки. Автореферат.- М'., МИСиС, 2005.

64. Никитин К.В. Модифицирование и комплексная обработка силуминов: Учебное пособие.(СамПлУ, г. Самара), 2007. — 67 с.

65. Войтков А.П., Деев В.Б., Селянин И.Ф. Структурные изменения1 в расплавах силуминов при повышенных температурах. Тезисы докладов конференции.- Барнаул^ 2005.- С. 37.

66. Солнцев Ю: П., Пряхин Е. И. Материаловедение: Учебник для вузов.-СПб: Химиздат.-2007.- 784 с.

67. Семенихин Б.А., Петридис A.B., Куприянова И.Ю. Возможность использования комплексного модификатора длительного действия на основе нанопорошков для повышения качества отливок из алюминиевых сплавов (КГТУ, г. Курск). Тезисы докладов конференции.

68. Ганиев И.Н., Пархутик П.А., Вахобов A.B. и др. Модифицирование силуминов стронцием / Под ред. К.В. Горева. Минск: Наука и техника, 1985.- 143 с.

69. Альтман М:Б. Металлургия литейных алюминиевых сплавов.' М.: Металлургия, 1972.

70. Влияние добавок серы, натрия и фосфора на свойство алюминиево-кремниевых сплавов. /Ж. Найр, С. Бхатнагар, П. Гупт, Б. Наджаван // 33-й Международный конгресс литейщиков. М.: Машиностроение , 1970.- С. 123-125.

71. Белоусов H.H. Современные направления работ по модифицированию алюминиевых сплавов // Модифицирование1 силуминов. Киев, 1970. С. 20-52.

72. Строганов Г.Б. Высокопрочные литейные алюминиевые системы. М.: Металлургия, 1985.

73. Немененок Б.М. Теория и практика4 комплексного модифицирования силуминов.- Минск: Технопринт, 1999.- 270 с.

74. Довнар.Г.В. Исследование методов управления структурообразованием сплавов алюминия с тугоплавкими компонентами и разработка на их основе новых технологических процессов получения, отливок: Дис. работа конд. техн. наук., Мн., 1983.

75. Чернега Д. Ф. Влияние дисперсных тугоплавких частиц в расплаве на кристаллизацию алюминия и силумина / Д. Ф. Чернега, В. Г. Могилатенко // Литейное производство. 2002.-№ 12 — С. 6-8.

76. Young-Dong К. The effect of grain refining and oxide inclusion on the fluidity of Al-4,5Cu-0,6Mn and A356 alloys / K. Young-Dong, L. Zin-Hyoung // Mater. Sci. and Eng. 2003. -№ 12. - P.372-376.

77. Эскин Г. И. Обработка и контроль качества цветных металлов ультразвуком.-М: Металлургия, 1992.-128 с.

78. Калинина Н. Е., Кавац О. А., Калинин В. Т. Структурное модифицирование литейных алюминиевых сплавов. Тезисы докладов конференции. Днепропетровск, 2008.

79. Бочвар А.А., Кузнецов Г.М. ДАН СССР, 1954, №2.- С. 10.

80. Добаткин В.И., Эскин Г.И., Боровикова С.И., Бюл. ВИЛС. Технология легких сплавов. 1971 г. № 6.- С. 9-12.

81. Хансен М., Андерко К. Структура двойных сплавов.: пер. с англ./ Под ред. И.И.Новикова и И.Л. Регельберга. Т., 2 М.: Металлургиздат, 2962. 1487 с.I

82. Теплотехника: Учеб. Пособие/Хазен М.М., Матвеев Г.А., Грицевский М.Е., Казакевич Ф.П.; Под ред. Г.А. Матвеева.- Высшая школа 1981, -1981.-С. 164-172, 432-438.

83. Диаграммы состояния двойных металлических систем. Том 2./ под общей редакцией Лякишева Н.П. — М: Машиностроение, 1997. С. 356360.