автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Модификация порошком нитрида титана и термичная обработка многокомпонентных доэвтектичных силуминов

РГ6 од

На правах рукопису

З 0 лвг 1393

Шепелева Людмила Володимірівна

УДК 669.017. '715.018. 28-15 МОДИФІКУВАННЯ ЮРОШКОМ НІТРІДУ ТИТАНУ ТА ТЕРМІЧНА ОБРОБКА БАГАТОКОМПОНЕНТНИХ ДОЕВТЕКТИЧНИХ СИЛУМІНІВ

Спеціальність 05.16.01 - Металознавство та термічна

обробка металів

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня ~ кандидата технічних наук

Київ 1993

і

Робота виконана у Київському політехнічному інституті

Науковий керівник - кандидат технічних наук,

доцент ЕГ. Нэп латенко Офіційні опоненти - доктор технічних наук,

' професор ЕФ. Лоскутов

. - доктор технічних наук

зав. лаб. Ф. М. Котлярський Ведуча організація - Київський механічний

завод

Захист дисертації відбудеться береси? 1993р. на засіданн спеціалізованної ради К 068. 14. 09 Київського політехнічного інсти туту за адресою 252056, м. Київ, пр. Перемоги,37, КПІ, ІФФ.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліртеці інституту. Ваш ві гук, завірений г.ербовою печаткою, просимо висилати за вказаною адре сою. •

Автореферат розісланий липня 1993р.

Вчений секретар спеціалізованої ради - к. т. н., доцент

Е С. Пиковський

Ц-Т>4 роботи. ОдержеННЯ Р'ГОрИННИХ ДСйВТвКТИЧНИХ силумін І Б, ЯКІ не поступаються по якості сьоїм первинним аналогам, шляхом заміни складу для модифікування і тенології його приготування, режиму термічної обробки, биьчєння механізму модифікування і БІІЛИБу ПОрОПІКу нітріду титану на структуроугворення, та впроваджзння багатокомпонентних сплавів, модифікованих нітрідом титану э високим рівнем механічних властивостей в умовах виробництва. '

Для реалізації поставленої мети у роботі вирішені такі задачі!

1) розроблено засіб виготовлення алюмінієвих сплавів, вміп^шчий пресування модіфікуючої порошкової суміші, її відпад, введення у розплав, одержання відливків та .їх термічну обробку, ‘

2) обгрунтовано вибір складу для модифікування, до якого входить 5-9 мас X магнію, 5-9 мас. X нітріду титану, решта - алюміній при Відношенні магнію до нітріду титану 1:1;

3) досліджено вплив нітріду титану на структуру і властивості (механічні і термодинамічні), термообробку сплавів системи А1-31-Си-Ц£-7п-!Ау-Рб.

4) досліджено вплив нітріду титану на кінетику старіння доевтек-тичних силумінів',

5) вивчено вплив переплав і в на властивості і структуру модифікованих сплавів. .

Основні -ішомення, ію виносяться на захист;

1) результати розробки універсального модифікатору для силумінів складу; порошки алюмініню, магнію і нітріду титану; . ■ ■

2) наслідки вивчення структуроутворення і механізму модифікування доевтектичних силумінів, обробденних нітрідом титану;

3) особливість кінетики старіння багатокомпонентних доевтектичних модифікованих алюмінієво-кремнієвих сплавів;

4) кореляція складу, властивостей сплавів та режиму їх термообробки. .

. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Алюмінієві сплави широко використовуються в' авіаційній, автомобільній, тракторній промисловості та інших галузях господарства. З алюмінієвих сплавів виготовлять складні, міцні, легкі і щільні відливки з гарною обрбблтваемост Але виробництво кольорових сплавів відстає від потреб промисловості, крім того коль-

рові сплави дорого коштують і, в наслідок цього, не завжди вигідні виробництву. Вихід із цієї ситуації є розширення використання вторинних ливарих сплавів, заміна тми первинних силумінів. Інтерес викликають модифіковані сплави з високим та стабільним рівнем механічних властивостей. -

Проведений аналіз літератури показав, щр більшість робіт присвячена вивченню умов отримання вищеназваних сплавів, а також дослідженню їх фізичних та технологічних властивостей. Фактично відсутні роботи по дослідженню впливу порошку нітріду титану на структуроутворення, властивості та режими термічної обробки відливків із алюмінієво -кремнієвих, сплавів. Тому велику цікавість являє собою вивчення механізму впливу тугоплавкого порошку нітріду титану на структуру і властивості багатофазних доевтектичних силумінів.

рані багатокомпонентні сплави системи алюміній - кремній, які вміщували до 12,5% Si. ,

Плавки проводились у лабораторних умовах в електричних пічах опіру. Шихтовими матеріалами були технічно чисті: силумін АК12сч ' /ГОСТ 1521-89/, алюміній А7, А8, А99 /ГОСТ 11069-89/, магній Мг90 /ГОСТ 804-89/ та лігатури: алюміній - залізо, алюміній - марганець, алюміній - мідь, алюміній - кремній.

Модифікатор готували на основі синтетичного нітріду титану /ТУ 6-09-03-112-75/. :

Мікротвердість замірювали на приладі ПМГ-3. Електронномікрос- • копічні дослідження проводились на приладі УЕМ-200сх. Фольги одержували за допомогою електролітичної поліровки з наступним іонним по-тоньшенням. Растрова електронна мікроскопія проводилась на приладі РЕМ-200 та РЕЫ фірми "PHILIPS". Хімічний аналіз проводився на спектрографі типу ІСП-22, генератор ІВС-23. <Хазовий склад сплавів вивчали за допомогою установки марки "САМЕВАХ". Теплофізичні властивості сплавів, кінетику кристалізації досліджували за допомогою диференціального термічного аналізу. Для проведення дилатометричних іспитів використовували катковий дилатометр. Випробування механічних властивостей проводили і-а універсальній машині FP-100/1. Мікроструктуру сплавів вивчали, на оптичних мікроскопах МІМ-7 та NE0PH0T при : вибірковому травленні. Дослідження фазового складу проводили на рентгенівській установці ДРОН-3.0. Експеримент проводили на основі теорії математичного планування. Есі розрахунки у роботі проводили на ПЕОМ типу IBM. ... • ■ ■

досліджень Об’єктами досліджень були виб-

- з -

Наукова новизна. В процесі виконання роботи вперше розроблена методика вибору легуючих складів, які вміщують порошковий модифікатор. Встановлено взаємозв'язок між ефективністю модифікуючої лігатури і вміщенням у ній алюмінію, магнію та нітріду титану. Тільки співвідношення магнію та нітріду титану 1:1 (X по масі модифікуючої таблетки), тобо утворення фіксованої кількості сполук А1х^у, змочуваних нітрідом ■ титану при спіканні; забезпечує високу засвоюваність порошку.

Вивчено механізм модифікування доевтектичних багатокомпонентних силумінів: нітрід титану є центром кристалізації залізовміщуючих фаз, роздріблює їх, обмежуючи зріст пластин кремнію, змінює характер кристалізації. . • ■

Встановлені особливості старіння багатокомпонентних модифікованих силумінів. Показано, одо кінетика старіння змінюється під впливом модифікуючого ефекту та особливостей структуроутворення (характерне одночасове знаходження у структурі кількох зміцнюючих фаз, які виділяються у процесі старіння). Додаткове зміцнення сплавів можна пояснити гальмуванням дислокацій нітрідом титану.

Зафіксовано збільшення об'ємної частини подвійної евтектики у модифікованих сплавах. Отримані залежності ефективного коефіцієнту теплопровідності та питомої теплоємкості в інтервалі температур 650-950 К, теплота фазових перетворень та ентропій перетворень для не модифікованих, модифікованих, модифікованих подвійного переплаву сплавів.

Вивчено структуру модифікованих доевтектичних силумінів. Вплив кількості міді, цинку, магнію, кремнію, співвідношення заліза,^ марганцю на формування стуктури та властивостей сплавів в залежності від режимів термічної обробки. .

принципова можливість заміни первинних дорогих доевтектичних АІ-йі сплавів їх вторинними аналогами і низькосортними силумінами з підвищеною наявністю заліза обробленими порошком нітріду титану. Одержані результати дозволяють замінити технологічну операцію штучного старіння на природне в процесі одержання виробів. По розробленим графічним матеріалам можливо прогнозувати і вибирати модифіковані до-евтектичні силуміни з загаданими властивостями в широкому інтервалі легуючих компонентів.

■ Апробація роботи. Основні матеріали дисертації докладені та обговорені на Міжнародній науково-технічній конференції студентів, ио-

лодих вчених та спеціалістів "Молоді вчені в рішенні комплексної програми науково-технічного прогресу країн-членів РЕВ" (м. Київ 1989р.); V Республіканській науково-технічній конференції "Підвищення технічного рівня та удосконалення технологічних процесів виробництва відливків" (м. Дніпропетровськ 1990р.); Республіканській науково-технічній конференції "Сучасні методи контролю якості литва" (м. Київ 1992р.); V Науково-технічній конференції з міжнародною участю (м. Самара 1993р.); науково-технічній конференції "Шляхи підвищання якості та економіки ливарних процесів” (м. Одеса 1993р.)

Публікації. По результатам виконаних досліджень надруковано 9 робіт, є рішення по патенту. ^

Об'єм та структура дисертації. Дисертація вміщує машинонпис-ного тексту, малюнків, таблиць і складається із вступу, п’яти глав, додатку та бібліографи, пр вміщує робіт.

Вступ. Обгрунтовано актуальність теми, сформульовано мету роботи, викладено основні наукові результати та положеня, що захищаються.

У першій главі розглянуто сучасний стан питання; наведена характеристика доевтектичних силумінів, розглянуті способи поліпшення структури 1 властивостей сплавів, описано взаємовплив елементів при структуроутворенні багатокомпонентних силумінів.

У другій главі знаходиться опис матеріалів, обладнання, пристроїв та методик, пр використовувались для досліджень. Приведено спосіб виготовленя алюмінієвих сплавів.

Третя глава присвячена розробці модифікуючої лігатури для доевтектичних багатокомпонентних силумінів; її аналізу; вивчено вплив нітріду титану на швидкість дифузії елементів у твердих сплавах, експериментальної перевірки одержаних даних, обгрунтуванню режимів термГчної обробки.

• Четверта глава присвячена вивченню впливу нітріду титану на структуроутворення і технічні властивості доевтектичних модифікованих силумінів. Проведена кореляція властивостей в залежності від складу і режимів, термічної обробки. . .

У п'ятій главі приведені результати вивчення механізму модифікування нітрідом титану, стуктури фаз та кінетики старіння.

ЗМІСТ РОБОТИ '

_ ■ . ♦ . ‘ . .

, . Порівняно до чорних металів алюмінієві сплави мають ряд більш високих технологічних та слулЗових характеристик, що забезпечує зни-

ження витрат • при виробництві та експлуатації деталей машин та інших видів техніки. Найбільш широке розповсюдження алюмінієвих сплавів у автомобілебудуванні і тракторобудуванні пояснюється прагненням до створення техніки з оптимальною енергоємністью. ■

Найбільш ефективними напрямками підвищення експлуатаційних властивостей сплавів є рафінування та модифікування разом з наступною термообробкою, які характеризуються' малою ресурсоємністю. В останній час для модифікування використовують такі нетрадиційні речовини,як азот,тугоплавкі окисли,карбіди, нітриди. Модифікування тугоплавкими порошками нітрідів є ефективною операцією при одержанні сплавів з високим та стабільним рівнем механічних властивостей. Однак .відомі модифікуючі лігатури,маючі у складі порошки, не універсальні.

Доевтектичні АІ-Бі сплави, мають вузький інтервал кристализаціі, гарні ливарні властивості ( невелику лінійну усадку,гарну рідкоте-кучість.малу спроможність до утворення тріщин). Вплив тугоплавких порошків на властивості доевтектичних багатофазних алюмінієво-кремнієвих сплавів вивчено недостатньо. Механізм модифікуючого впливу порошків на структуру та властивості відливків з алюмінієво- кремнієвих сплавів не вивчено.

Дослідження проведені на кафедрі "Фізико-хімічні основи технології металів" Київського політехнічного інституту, а також аналіз потреб та спроможності промисловості України дозволяють вибрати як модифікатор вторинних доевтектичних силумін ів-порошок нітріду титану. Нітрід титану одержують плазмохімічним синтезом. Він має собою монокристал з гладкою поверхнею, яка не має тріщин і не може бути зародком тріщино утворення. • '

З метою одержання алюмінієвих сплавів а високими характеристиками міцності і пластичності при мінімальних витратах розроблений склад для їх модифікування на основі нітріду титану. Модифікуюча лігатура містить порошки алюмінію, магнію з поперечним розміром не більш

1 мм. , і нітрід титану дисперсністю 3-10~7-5-10~5 м.

Ефективність модифікуючої .таблетки залежить від якості спеченого сплаву (розподіл компонентів випадковим чином - відсутність агломерат і в, пористості, усадки). Стан суміші у макрооб'ємах оцінювали по стандартному відхиленню,що характеризує коливання складу дослідних проб від деякої заданої величини. Варіаційний коефіцієнт у всіх випадках був меньше одиниці, тоб-то всі одержані суміші виявились якісними. .

Спікання проводили при температурі 923 - 943 К на протязі 2-3 годин у вакуумі 10 мм.рт. ст. Це дозволило дегазувати порошки та вик-

лютити окислення за рахунок власних адсорбованих газів та газів з оточуючого середовища. В процесі спікання суміш порошків алюмінію, магнію та нітріду титану поводила себе, як типова система з рідкою та нерозчинною фазою. Характер і ступінь впливу фаз на процес спікання залегали від долі і тривалості існування розплаву. Температура спікання була вибрана таким чином, щоб поява розплаву носила постійний характер. Енергія що звільнюється при змочуванні твердої поверхні (ТіИ} тим вище, чим меньше граничний міжфазний поверхневий натяг.

Шверхня нітріду титану змочується легкоплавкими фазами А1хЦгу (со—0), розплавлена фаза проникає в міжчасткові проміжки, ^обгортає тверді частки і знижує збиткову поверхневу енергію. В цьому випадку усадка при спіканні відбувається в результаті перегрупування і, підпорядковуючись кинетичному закону Кинджері призводить до повного ущільнення сплаву шр спікається. ' .

Коли об'єм рідкої фази зменьпгується, а форма твердих часток далека від сферичної, механізм перегрупування не виявляється і усадка триває під впливом осаджування. В цьому випадку пористість матеріалу велика, засвоюємість модифікатора зменьшується, тоб-то градієнт концентрації, що утворюється між ділянками, які знаходяться під впливом стискання, не знижується і пустоти, шр залишаються, не заповниться.

Це пояснюється тим, що нітрід титану не розчиняється в системі алшіній-магній при досліджених умовах і, відповідно, не може бути виведеним з контактної зони, як розчинений компонент після тимчасового пересичення розплаву. Скопичуючись "на дні” нітрід титану роз- • поділений в лігатурі не рівномірно, як "самостійна” частка, виштовхується із розплаву при модифікуванні. ,

Визначено, шр кількість порошку нітріду титану та магнію повинна знаходитись у співвідношенні 1:1 і оптимально складає від 5 до 9 мас. X. в модифікуючій таблетці. Запропоноване співвідношення враховує наступні особливості сплавів: '

-не ноже виникнути залишок магнію, ш призводить до стабільності міцності, здатності до формоутворення, підвищено і сприйнятливості сплавів до термічної обробки; .

-запропонований склад для модифікування дозволяє одержувати стабільні властивості сплавів в природньо постареному стані;

-врахований позитивний сумісний вплив міді (присутня у - складі сплавів) і цинку (необхідний контроль за вмістом у сплаві), шо забезпечує. . найбільше зростання міцності при збереженні відносного подовження на високому рівні; ,

-при відпалі лігатури утворюються фази А1х(4'и о низькими температурами плавління, які змочують нітріди, забезпечують їх високе засвоєння.

При збільшенні вмгсту нітріду титану в модифікуючій таблетці змінюється характер в’язкого зламу. Для таблеток А1-7Х Цг-7% Т і N характерно в’язке руйнування з перевищенням рівиоосних ямок; поява ділянок крихкого, зламу. Бокові скоси-зламу також мають ямкову мікро-будову з параболічними ямками зрізу. Для таблеток А1-7Х Ц*-11% Ті N є характерним ямочний рельєф, з окремими ділянками квазисколу проміжний вид зламу з наявністю на поверхні руйнування плоских ділянок з гребними відриву, що утворюються в результаті пластичної деформації, Квазіскольні ділянки межують з порами. На деяких ділянках існують пори на обох половинах зламу. Наявність крихкого- мікрозламу відображає той факт, що початкова стадія руйнування триває в умовах об’ємного напруженого стану; ямки які утворюють структуру дна чашки формуються при деформації відривом під дією нормальних стягуючих напружень.

Таким чином фрактографічні дослідження підтвердили різну природу матеріалів модифікуючих лігатур.

Викладені ствердження перевірені експериментально. Для досліджень були вибрані доевтектчні багатокомпонентні силуміни з підвищеним вмістом заліза. ' .

Плавки були проведені в печі СІЮЛ - 11.6/12 - МЗ, Модифікуючу лігатуру різного складу вводили при 988 К. Найбільш ефективним модифікатором виявився брикет що вміщує: магнію - 7Х,нітріду титану -77. , алюмінію - 86 7. (X , по масі модифікуючої таблетки ), що підтверджено металографічними дослідженнями.

З метою підбіру режиму термічної обробки для багатофазних модифікованих доевтектичних силумінів вибраний дробний факторний експе-ремент 3 // 9. Модельним вибрано сплав складу: Б і 5%,Си ЗХ.М^ 0,5л, 2п 1,0%, іїе 0,8%, Мп 0,5%. Як фактори були вибрані : ХІ-температура гомогенізації; Х2-час гомогенізації; ХЗ- температура старіння ; Х4- час

старіння. Фактори керовані, однозначні, сумісні та незалежні. Варіювання факторів проводилось на трьох рівнях. Відгуками були вибрані: тимчасовий опір розриву та відносне подовження. Данні оброблялись на ЕОМ. . .

Одержані моделі : У = 219 + £7,9X1 - 22,522 + 18,6X4,

' У = 0,9 - 0,8X3, де 22 - температура гартування (кодірована). '

Таким чином, на зміну тимчасового опіру розриву температура старіння не впливає. Для одержання максимальних значень відносного Я*

подовження необхідно температуру старіння знижувати, що обгрунтовано ділатометричними дослідженнями, які проводились на модельних зразках того ж складу. Фазові перетворення у модифікованих сплавах тривають при більш низьких температурах ніж у не модифікованих; при однаковій постійній температурі для старіння модифікованих сплавів необхідна меньша витримка, ніж для не модифікованих. Крім того, навколо інтер-металіДів таких як K^St. MgjZnaAl^, (AlgCu Mg)(Si), Cug^SlgAlis при стандартному режимі термічної обробки спостерігалось утворення дислокаційних петель, то характерно для перестарених сплавів. ( Спостереження велись за допомогою електронного мікроскопу JEM - 200 сх на фольгах).

.Після проведення металографічного, мікродюрометричного.і елект-рономікроскопічного аналізів визначено,що зміна властивостей та кінетики старіння доевтектичних багатокомпонентних силумінів модифікованих нітрідом титану зв’язані з особливостями структуроутворення:

-нітрід титану є центром кристалізації , залізовмістких фаз та здрібнює їх; .

- залізовмісткі фази, маючи • складну кристалохімічну природу (анізотропія будови та властивостей ) і, відповідно, високу температуру плавління, є ініціаторами зароджування багатофазних евтектичних колоній:

- обмемзння зросту пластин кремнію нітрідом титану призводить до зміни вигляду евтектики на базі кремнію ( стовпчаті або глобулярні виділення замінюються дрібнодисперсними сферичними );

- нітрід титану не' впливає на зародження кристалів алюмінієвого твердого розчину надаючи непрямий вплив на їх зріст;

- утворення дрібнозернистої структури після модифікування (ха-

рактерна мала міждендрітна відстань.) з рівномірним розподілом фаз призводить до більш ефективного насичення твердого розчину під час термообробки. '

Високі питома поверхня тугоплавкій порошків та модифікуючий ефект призводять до того, що в сплавах значно збільшується міжфззна поверхня розділу, зростає кількість дефектів структури. ІДе призводить до прискорення дифузійних процесів 1 відповідно до зміни кінетики старіння. ■ ■. ■ .

Дня сплавів,що вивчались, з широким інтервалом складів звичайна послідовність утворення виділень при старінні ( ЗГП1 -> ЗГП2 ->Jb -> Jb (}4‘2Si )) не характерна. . ’ . ' ■ /

■ • . - 9 -

Встановлено,шо в сплавах з надлишком кремнію в порівнянні з співвідношенням Мг2 на ранніх стадіях старіння по межах зерен виділяються частки кремнію.

Тривале старіння сплавів з порівняно високим відношенням цинку до магнію призводить до утворення перехідної фази, відомої як^’чи Н\ яка передує утворенню рівноважної фази ц, чи Н - Мгггу Можливо, невеликий вміст міді, до 4 X, не змінює механізм розпаду. Зміцнююча дія її пов’язана з легуванням твердого розчину. При більш високому вмісті міді збільшується ефект природнього старіння. Фаза Мггп2 частково замінюється на - ( МгАІСи ).

Для вивчення впливу порошку нітріду титану на властивості усієї групи вторинних доевтектичних сплавів (4 - 11 X Зі;0,2 - 0,8% Мг;0,2-

- 0,8 X Мі; 1,0 - 8,07. Си; 0,6 -1,17. 0,3 - 1,2 7. їй-, 0,1-0,57. Ні;

0,3 X РЬ+5п+2Ь; 0,15 Ті+2г ) використовувалося поетапне планування, поєднання факторних і симплексних методик.

План експерименту вибирався виходячи з наступних обмежень. Залізо-в загалі шкідливо впливас на властивості вторинних алюмінієвих сплавів. Однак, деякі залізоутворюючі ({ази ослаблюють ефект крихкості, до дозволило розробити сплави,в яких ці фази збільшують міцність, негативно не впливаючи на пластичність. Перехідні метали: хром, марганець та нікель є елементами-компенсаторами заліза. Вміст марганцю необхідно регулювати таким чином, шсб обмежити шкідливий вплив заліза і запобігти винекненню первинних кристалів. Склад та властивості мідних фаз залежать від вмісту в сплаві магнію, нікелю, марганцю і цинку. Різницю у структурному складі сплавів і природі фаз

- зміцніовачив визначає кількісний склад міді. Сумісний вплив міді і

цинку забезпечує найбільший приріст міцності при збереженні відносного подовження. Цинк суттєво не впливає на зміну складу фаз (окрім мідних) і властивостей сплавів. Магній, мідь і марганець можуть збільшувати пластичність сплавів при їх певному кількісному співвідношенні. Титан в багатокомпонентних алюмінієвих сплавах,в малій кількості,не утворює самостійних фаз. Олово і свинець при обмеженні їх вмісту в сплаві до 0,ЗХ по масі суттєво, не впливають на зміну структури і властивостей.. ■ .

Факторами вибрані: ХІ-вміст кремнію, Х2-вміст магнію, ХЗ-кимп-

лексний фактор - вміст міді і цинку,- Х4 - заліза і марганцю. Варіювання факторів проводилось на трьох рівнях. Статистична обробка результатів експериментів, проводилась на ЕОН при використанні стандартних програм множинної лінійної та нелінійної регресій,дозволила

. - 10 - • одержати рівняння моделей, щр описують властивості модифікованих сплавів в залежності від складу та режимів термічної обробки (малюнок 1 ). ,

Таким чином, властивості сплавів визначаються вмістом компонентів, їх співвідношенням,а також структурним станом. Кремній видіграе суттєву роль у формуванні властивостей сплавів. Його вплив значний при вмюті більш ніж 8 X ( по масі). Збільшення вмісту кремнію, для сплавів щр були оброблені за режимом Тб, від 4 X до 12 X при інших рівних умовах призводить до незначної зміни' відносного подовження (від 2 до 2,5 X). В той л® час обробка сплавів за режимом гартування і природне старіння призводить до збільшення відносного подовження. Воно може-складати 5,5 X при вмісті магнію - 0,2 %, заліза 1,4 -1,6 X, марганцю 0,2 ~ 0,6 X, міді 1,0 - 1,5 X, цинку 1,1 -

1,2 X. При збільшенні вмісту кремнію та магнію відносне подовження знижується до 3,6 X, в той час, як ділянки з тимчасовим опіром розриву розширюються від 310 МПа до 340 ИПа. Ц* можна пояснити тим, шр кремній позитивно впливає на форму виділень ц^і за оптимального режиму термічної обробки. Імовірно,що в даному випадку підвищення ступеня гетерогенності сплаву призводить до збільшення концентрації дефектів структури (дислокацій, границь зерен і т. і.), які можуть бути центрами зародків метастабільної фази шр виділяється гіри старінні. Це

■ призводить, до зміни структури сплаву і підвиирнни властивостей Міцності. .

Мідь- це елемент який сприяє покращенню механічних властивостей, Підвищує ВПЛИВ термообробки. Для збереження відносного подовження виїде ніж 2,6 X в штучно старенних сплавах п<, рібне обмеження її вмісту в межах 3-4 X. На міцність при розриві вона суттєво не впливає. Тенденція до підвищення, відносного опіру розриву (ба) яри збільшенні-вмісту міді до 8 X не закономірна. Високий вміст міді, магнію і цинку призводить до утворення на границях зерен крихких евтектик.

, Проведені дослідження дозволяють стверджувати, Шр цинк в кількості до 2 X практично повністю знаходиться в твердому розчині і розчинність, його не залежить від режиму термічної обробки. ' •

Максимальну кількість міді в твердому розчині зафіксовано при вмісті цинку 0,7 - 1,2 X. При вмісті цинку меньш НІЖ 0,7 X і збільшенні вмісту міді з 4,5 до 8 X спостерігається підвищення (ов і різкий спад відносного подовження (5), шр викликано збільшенням <|ази СиАІ^. В цьому випадку практично весь кремній не - зв'язаний і надає сплаву крихкість. Підвищення вмісту магнію до 1 X (вплив фази Мт230 цозво-. ляє зберігати високе відносне подовження сплавів при вмісті міді 5,8%.

Малюнок І: а,в -сплави оброблені по' режиму гартування та

штучнз старіння; ■ .

’ . біГ-гартування та природне старіння. '

. - 12 -

Інколи зустрічаються ділянки локального розподілу магнію у вигляді потрійно! фази ( ІДОиАІ ). В загартованих і штучно постарених сплавах при збільшенні вмісту цинку і магнію характеристики міцності різко зростають, шр є результатом збільшення кількості зміцнюючої Т-фази. .

Легуючі елементи, крім розчину, утворюють вторинні фази, шр мають самостійні поверхні розділу і в найбільшій мірі впливають на властивості. Для всієї групи визначених сплавів характерно виділення ¿,д\, Зі і невеликиої кількості ¡3і, для сплавів, що містять.більш ніж IX Си - 8 ГСиАІ£ ). Об’ємна частина в-фази збільшується при зростанні вмісту міді в сплавах. Сизу СиАІ2 часто спостерігали поруч з У-фазою.

Виділення фази V (Си2 №цЗіб АІ5) не залежить від вмісту кремнію при вмісті міді більш ніж 1 %, магнію - 0,6 %, марганцю - 0,2%, цинку - 0,2%. Об’ємна частина цієї фази, як правило, не перевищує 0,7 %. Залізовмісткі фази присутні у всіх сплавах. Оскільки залізо практично не розчинюється в алюмінії та його сплавах у твердому стані, потрійні і більш складні фази можуть утворюватися безпосередньо з розплаву або при перетектичній реакції. Ці фази є'твердим розчином з дуже широкою ділянкою гомогенності. Об’ємна частина залізовмістких фаз складає 3 - 4 %. В залежності від вмісту марганцю в сплавах утворюються фази (АІРеЗіМп), або (АІРеЗі). При вмісті міді більш ніж 4,5 % утворється фаза (А1РеЗіСи№і), або фаза (АІРеЗіСи). Залізовмісткі фази мають вигляд ієрогліфів, склад -яких може бути описаний формулами А1фЗі5>, (РеМп^АІ^Зі . Крім ієрогліфів у всіх сплавах зустрічаються голкоподібні виділення: великі голки, імовірно, відповідають •складу А1д(РеМп2>Зі2, дрібні витянуті - А^Ре Бі . В деяких залізовмістких фазах розчинена невелика кількість міді і марганцю. В процесі термічної обробки ці фази не зазнають змін. Загальна тенденція для сплавів, що оброблені аа режимом Тб до підвищення <Оа при фіксованій кількості заліза, марганцю та кремнію при збільшенні вмісту магнію з

0,2 до 1,0 % і міді з 4 до 8 % пояснюється, імовірно, ступенем лего-ваності твердого розчийу. Відносне подовження при цьому зростає при вмісті магнію до 0,2 X при зменшенні вмісту міді і збільшенні вмісту цинку. При збільшенні вмісту магнію до 0,6 % ділянки значень 5 > 2 % звужуються: до.1 % з’являються ділянки де- 2 <5 < З при ВМІСТІ МІДІ більше 6 % і цинку меньш за 0,6 %. Деяке підвищення . міцності, при підвищенні в сплаві вмісту заліз'а з (0,3*0,5) до 1 %, можна пояснити появою у структурі сплавів невеликої кількості збиткових інтерметалі-дів заліза, щр не входять у склад евтектики. У модифікованому сплаві це дрібні рівномірно роз поділені голки (пластини).

Марганець, маючи високу розчинність в залізі, з'єднується з інтерметалевими включеннями залізовмістких фаз. Так структура первинного сплаву вмішувала голкоподібні включення залізовмісткої фази. За умов легування марганцем одержували більш компактні включення цієї фази. В залежності від кількості марганцю в сплаві, інтерметаліди fFeMnAlSiCu), (FeMiAlSt) змінювали свою форму і розміри. Екстремуми мтностних властивостей розташовані, лк правило, в інтервалі (співвідношення заліза до марганцю)0,3-і,з для сплавів, пю оброблені за режимом гартування та штучне старіння. Відносне подовження в цьому випадку досягає не більш 2,55, (зв до 370 МПа. Інтервал відповідності положень екстремумів властивостей за режимом гартування та природне старіння - вузький. Так ділянка максимальних значень Сзв -до 350 НПа, 5 до 65'припадає на інтервал співвідношення заліза до мар-

• ганцю 0,5 - 1,2 при вмісті кроунію 10-127.. Збільшення співвідношення заліза до марганцю викликає зниження міцності і пластичності. Це, імовірно, пояснюється "перелегуваяням" сплаву, тоб-то збільшенням в ньому абсолютного вмісту інтерметалідів. В дослідженому діапазоні варіювання хімскладу при інших рівних умовах зміна механ чних властивостей складає для відносного подовжняя - 335'.(гартування і штучне старіння), 675 (гартування і природнє старіння);для тимчасового опіру розриву - 235 fгартування штучне старіння), 2в5 (гартування і природ-нє старіння'. При цьому тимчасовий опір розриву може складати до 380 Mit», відносне ПиДоьданнл - *3,Г5 (гартування і штучне сіаріння); (5а-?50 МІ»*, £> - 65 (гартування і природнє старіння).

Випробування модифікованих вторинних силумінів в умовах підприємства підтвердило можливість заміни їми первісних аналогів. Випробувана і підтверджена ефективність методики одержання сплавів з заданими властивостями, що дозволила в умовах підприємства, для багатокомпонентних доевтектичних силумінів з-підвищеним вмістом заліза, одержувати тимчасовий опір разриву. 360 МПа та відносне подовження Б,5 X, ‘ •

Іспити дозволили скоротити у виробництві операцію штучного старіння після гартування, замінивши и природним. Результати досліджень покладені -за основу розроблених технологічних інструкцій виробництва' алюмінієвих відлирків. Очикуваний економічний ефект від застосування технології о серійне виробництво буде становити 550 тис. крб. в цінах 1932 року.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ

1. Розробленио засіб виготовлення алюмінієвих сплавів, щр включає пресування модифікуючої порошкової суміші, її відпал, уведення : розплав, одержання відливка, його гомогенізацію і закажу. Визначене оптимальний склад модифікатору, режим його одержання 1 термообробкі отриманих відливків.

2. Запропоновано методику підбору легуючих складів, шр містяті порошковий модифікатор. Встановлено, взаємозв'язок між ефективністі модифікуючої лігатури і діаграмою стану її складаючих, Лише утворення фіксованої кількості сполук,змочуючих нітрід титану в твердо-рідкомі стані при спіканні, забезпечує високу засвоюваність порошку.

3. Встановлено механізм модифікування - структуроутворення доев-тектичних багатокомпонентних силумінів модифікованих нітрідом титану:

- нітрід титану є центром кристалізації залізовмістких фаз;

- залізовмісткі фази є ініціаторами зароджування багатофазних

евтектичних колоній; ’ . . ■

- нітрід титану обмежує зростання пластин кремнію;

- нітрід титану не впливає на зародження кристалів алюмінієвого твердого розчину, надаючи непрямий вплив на їх зріст.

4. Евдика питома поверхня порошків нітріду титану і модифікуючий

ефект призводять до значного збільшення міжфазної поверхні розділу , зростанню кількості дефектів структури, прискоренню дифувійних процесів і, відповідно, до зміни кінетики старіння (збільшується швидкість старіння і зменьшується температура). •

Вперше дослідхйно кінетику старіння багатокомпонентних силумінів системи АІ-Зі-Ме-Си-Мп-гп-Ге, визначено, шр при старінні відбувається утворення фаз СиАІ£, (^¿Зі. К^гпе, (МгАІСи). ■ •

■ 5. Отримані результати диференціального термічного аналізу

свідчать про значні зміни кінетики кристалізації модифікованих сплавів. Зафіксовано збільшення об'ємної частини подвійної евтектики і, відповідно, зменьшення більш складних евтектик в модифікованих сплавах. ' .

6. Досліджено вплив порошку нітріду титану на структуру та властивості всієї групи вторинних доевтектичних силумінів (4-11231; 0,2 -0,8 X №; 0,2 - 0,8 X Мг, 1,0 - 8,0 X Си; 0,6 - 1,1 X Ге; 0,3 - 1,2 X

гп; 0,1 - 0,5 X N1; 0,3 X РЬ+гп+ЗЬ; 0,15 X Ті+2г) (Х,по масі). Розг-

лянуто внесок легуючих складових у формування властивостей сплавів:

• . - 15 -

- вплив кремнію значний при вмісті в сплаві від 4 до 12,5 X (X,

о масі); .

- для збереження тимчасового подовження вишо 2,53 потрібно обме-

ення вмісту міді до 3-4 X. На міцність при розриві (бв) вона суттє-о не впливає; ■

- високий вміст міді, магнію та цинку призводить до утворення на

в жах зерен крихких евтектик т, відповідно, до зменьшення механічних ластивостей ; -

- цинк в кількості до 2 X практично повністю знаходиться у твер-

ому розчині і розчинність його не залежить від режиму термічної об-обки ; .

. - підвищення вмісту магнію до 1 X дозволяє зберігати високе від-

:осне подовження сплавів при вмісті міді 5 - 8 X.

- об'ємна частина ззлізоемістких фаз складає 3 - 4 X; екстремуми ицностних властивостей розташовані в інтервалі співвідношення заліза :о марганшо 0.8 - 1,8 для сплавів, що оброблені за режимом гартування іа штучне старіння; ділянка максимальних.значень припадає на інтервал іпіввідношення заліза до марганшо 0,5 - 1,2 при вмісті кремнію 10 -

2 X для режиму термообробки - гартування і природне старіння; одер-ані данні дозволяють прогнозувати властивості сплавів.

7. Доказана можливість одержання якісних відливків з вторинних

гадифікованих порошком нітріду титану доевтектичних силумінів з висо-:им відносним подовженням до б X і тимчасовим опіром розриву до І80 МПа, шо зберігають властивості після переплавів .

8. Розроблені та рекомендовані для використання у промисловості

:клали модифікованих силумінів з оптимальними властивостями за двома >ежимами термічної обробки; .

- гартування та зггучне старіння - Бі -(10,5 - 12,5) X, Ме -(0,6- >

.,0)Х, Си - (1,0 - 8,0) X, Тх\ -(0,2 - 1,2) X, Мп -(0,4 - 0,3) X, іїв -

0,8 - 1,0) X, А1 - зал.. ;(ав - 380 МПа, *Ї5 - 3,5Х).

- гартування та природнє старіння - Зі - (10,5 - 12,0) X, Маг -

0,6 -1,0) X, Си - (1,0 - 8,0) X, 1г\ - (0,7 - 1,2) X, Мп - (0,4 -

5,8) X, Ре - (0,5'-- 1,0) X, АІ-зал. (<оь - 360 Ша, 5" - 4Х) .

9. Опрацьована і пройшла промислове випробовування технологія

мержання сплавів шо включає, модиФіісувгіння' .і термічну обробку. Сг;ла-ієні і передані заводу, доповнення до І технологічних інструкцій, які

¡озволяють замінювати первинні сплави типу АЛ2, АЛ9 на їх вторинні шалоги. ... . ' | ■ '• .

ОчикуЕаний економічний ефект від застосування технології в' :ерійному виробництві становить-550 тис. крб. на рік у цінах 1992р. ,

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНО В РОБОТАХ

1. Uliпелева Л В. Планирование эксперимента при изучении вторич-

ных алюминиевых сплавов обработанных азотсодержащим модификатором // Молодые ученые в решении комплексной программы научно-технического прогресса стран-членов СЭВ- Тезисы докладов научно-технической kohiJ»-ренции. - Kues, 19S9. - С. £81. '

2. Могилатенко Е Г., Шепелева Л. В , Михаленков К. В. К вопрсу мо-

дифицирования алюминиевых сплавов тугоплавкими частицами // Повышение технического уровня и совершенствование технологических процессов производства отливок: Тезисы докладов научно-технической конференции. - Днепропетровск, ’ 1990. - С. 61-62. ■

- 3. Чернега Д. Ф., Могилатенко а Г., Шепелева Л. Е Взаимовлияние элементов при структурообразовании во вторичных алюминиевых сплавах /Киевский политехнический институт. - Киев, 1989. -12с. - Деп. в УкрНИ-ИНТИ, 03. 03. 89, N 679-УК Є9. .

4. Чернега 'Д. Ф., Могилатенко В. Г., Шепелева Л. В. Перераспределе-

нии элементов при термической обработке сплава АК7, содержащего уль-традисперсные нитриды // Металловедение и термическая обработка металлов. - N2, 1991.- С. 37-38. -

5. Могилатенко В. Г., Шепелева Л. Е Влияние состава на нехаиичес-

кие . свойства, и структуру модифицирована сплавов системы

Al-Si-bfe-Cu-Mn-Fe-Zn // Пути повышения качества и экономичности литейных процессов: Тезисы докладов научно-технической конференции. -

Одесса, 1993. - С. 40. . '

6. Могилатенко Е Г., Шепелева Л. Е Термообработанные доэвтекти-

ческие силумины содержащие нитрид титана // Процессы литья. - N2, 1993. - С. 111 - 117. •

‘ 7. Могилатенко Е Г., Шепелева Л. Е Мэханизм модифицирования си-

луминов ультрадисперсними нитридами // Наследственность в литых сплавах: Тезисы докладов V научно - технической конференц-с.международным участием,-Самара, 1993.-0.122-124. . -

8. Могилатенко Е Г., Шепелева Д Е Состав для модифицирования и его применение для обработки вторичных'многокомпонентных силуминов // Технологии и оборудование для утилизации трудноперерабатываемых отходов в цветной металлургии: Сборник научных трудов Донецкого института цветных металлов. - Донецк, 199а - в печати* • v .

9. Должанский Ю. М., Полуэктова 0.0., Харитонова И. В., Шепелева Л. Е Изучение свойств силуминов в сочетании факторных и симплексных методик. -Там же. - в печати.

10. Способ изготовления алюминиевых сплавов / Иогилатенко Е Г., Чернега Д. Ф., Шепелева Л. Е Россия, N 5067579/02; Заявлено 02.06.92; Решение от 16.03.93.

Пілп. до друку Сі.91.9$ . Формат 60хМ7і«

Папір друк. 5 . Спосіб друку офсетний. Умови, друк. арк. .

Умови, фарбо-відб. І.С'і . Обл.-внд. арк. /,0 .

Тираж ІСО . Зам, № ЗТ)Ь2- . Безплатно. .

Фірма «ВІПОЛ»

252151, Київ, вул. Волинська, 60.