автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Повышение механических свойств вторичных алюминиевых сплавов путем рационализации их составов и режимов термической обработки

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

1.1. Качество вторичных и первичных литейных алюминиевых сплавов

1.2. Влияние структуры, химического и фазового состава на свойства литейных вторичных сплавов. . 10 1.2.-1. Влияние химического состава на механические свойства сплавов в литом состоянии без термообработки.

1.2.2. Зависимость механических свойств от химического состава вторичных алюминиевых сплавов после термообработки.*

1.3. Микролегирование вторичных литейных алюминиевых сплавов.

Задачи, поставленные XK7I съездом КПСС по развитию отечественной промышленности, связаны с экономией материальных ресурсов; широким использованием комплексной переработки сырья, ресурсосберегающей техники, малоотходной, безотходной и энергосберегающей технологии; утилизацией вторичных ресурсов /7/.

Источники вторичного алюминиевого сырья расширяются с ростом в народном хозяйстве металлофонда в виде сплавов первичного алюминия. Мировое производство алюминия растет гораздо более высокими тешами, чем производство стали /6/. Дальнейшее увеличение производства первичного алюминия на 15-20$ на I98I-I985 годы и на период до 1990 года, способствует созданию благоприятных условий для расширенного применения сплавов из вторичного сырья. Эта проблема приобретает все большее значение в связи с истощением мировых запасов рудного сырья, пригодного для эффективной переработки сложившимися технологическими процессами /1-4/.

Однако, качество вторичных сплавов во многих случаях уступает качеству сплавов из первичного сырья, что затрудняет их применение при изготовлении деталей ответственного назначения. В настоящее время ведутся работы по повышению механических и эксплуатационных свойств вторичных сплавов до уровня первичных, что достигается очисткой сплавов от вредных примесей, газов, неметаллических включений; использованием высоких скоростей охлаждения; путем разбавления их первичным сырьем; микролегированием, направленным на нейтрализацию вредных примесей; применением физических методов воздействия на шихту, расплав и литье; совершенствованием режимов термической обработки и др.

В развитие указанных направлений внесли большой вклад М.Б.Альтман, Н.А.Аристова, Н.Н.Белоусов, Б.Б.Гуляев, В.С.Золото-ревский, И.Ф.Колобнев, М.В.Мальцев, И.И.Новиков, Д.Н.Худокормов и ряд других советских ученых.

Однако, в отечественной и зарубежной литературе уделено мало внимания изменению уровня механических свойств сплавов в зависимости от взаимовлияния параметров термической обработки, химического и фазового состава конкретных сплавов в пределах марки. Недостаточно теоретически изучен вопрос выбора микродобавок и микролегирующих комплексов для вторичных силуминов; механизм их воздействия на литую структуру в исходном и термообработанном состояниях.

Целью данной работы явилось повышение уровня механических свойств распространенных марок вторичных силуминов АК5М2 и АК5М7 путем рационализации их состава, режимов термической обработки и микроле гирования.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- построенные номограммы, рекомендации и модели вторичных сплавов АК5М2 и АК5М7, позволяют корректировать химический состав, режимы термообработки и получать сплавы с требуемым уровнем механических свойств;

- разработанная на основе принципов "Синтеза сплавов" новая методика позволяет выбрать из периодической системы наиболее эффективные элементы для микролегирования и определить их концентрации, обеспечивающие существенное увеличение механических свойств вторичных сплавов путем устранения влияния вредных примесей;

- рационализация составов, режимов термообработки и микролегирования обеспечивает изготовление качественных отливок из вторичных сплавов, приготовленных из низкосортной шихты и отходов с высоким содержанием железа; обеспечивает получение механических свойств на уровне характеристик первичных сплавов, что позволяет в ряде случаев применение вторичных сплавов взамен первичных

I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

- 147 -ВЫВОДЫ

1. Разработанные математические модели сплавов АК5М2 и АК5М7 позволяют корректировать химический состав и режимы термической обработки и обосновывают получение сплава с требуемым уровнем свойств,

2. Оптимизация и корректировка составов сплавов АК5М2 и АК5М7 с учетом среднестатистических составов шихты, поступающей на Мценский и Ленинградский заводы "Вторцветмет", позволяет существенно превысить типичные значения уровня свойств для данных марок сплавов.

3. Установлено взаимовлияние основных компонентов во вторичных сплавах. Показано, что в сплаве АК5М2 изменение концентрации меди до нижнего или верхнего предела марочного состава сплава при оптимальном содержании марганца и железа приводит к снижению пластичности в результате перераспределения марганца между структурными составляющими, приводящими к выделению интерметаллидов железа в иглообразной форме.

4. Увеличение концентрации магния в сплаве АК5М7 до 1$ приводит к повышению уровня прочности до 260 МПа ( ~ 13$) при увеличении пластичности до 1,25$ (примерно в два раза).

5. Разработанный единый режим термической обработки сплава АК5М7 позволяет сочетать высокий уровень прочности и пластичности сплава.

6. Предложенная методика выбора и расчета концентрации добавок и микролегирующих комплексов для вторичных силуминов на основе двойных и тройных диаграмм состояния металлических систем подтверждена прямыми экспериментами. На основе методики выбора разработаны микролегирующие комплексы, заметно повышающие уровень свойств вторичных силуминов.

7. Установлено, что из элементов , Сс1 , , 5к. добавка сурьмы влияет на форму выделения железосодержащих фаз го приятные. Микролегирование сплава АК5М2 0,3$ позволяет увеличить пластичность после термической обработки вдвое без существенного, изменения уровня прочности.

8. В промышленных условиях показана возможность изготовления качественных отливок из сплавов АК5М2 и АЕС5М7 при использовании шихты и отходов вторичных сплавов собственного производства с высоким содержанием железа.

9. Промышленное опробование показало возможность улучшения качества отливок, сокращение брака и замены в ряде случаев первичных сплавов вторичными микролегированными сплавами. Экономический эффект от результатов внедрения на Каширском заводе иЦен-тролит" составил 95 тыс.руб/год. в сплавах системы изменяя их на более бла

1. Манохин А.И., Резниченко В.А. Металлургия - наука, производство и перспектива дальнейшего развития. - Изв. АН СССР, Металлы, 1980, В 3, с.З.

2. Манохин А.И. Выступление на общем собрании Академии наук СССР. Вестн. АН СССР, 1980, JS 5, с.73.

3. Ватолин H.A., Окунев А.И., Леонтьев Л.И. Вопросы комплексной переработки сырья в черной и цветной металлургии на Урале. -В кн.: Комплексное использование сырья, 1978, $ I, с.45.

4. Манохин А.И., Ватолин H.A., Резниченко В.А. Решение проблемы комплексного использования сырья в металлургии, Изв. АН СССР. Металлы, 1981, В 2, с.3-13.

5. Ершов Г. С., Бычков Ю.Б. Высокопрочные алюминиевые сплавы из вторичного сырья. М.: Металлургия, 1979. - J92 с.

6. Строганов Г.Б., Ротенберг В.А., Гершман Г.Б. Сплавы алюминия с кремнием. М.: Металлургия, 1977. - 272 с.

7. Основные направления экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года. М.: Политиздат, 1981. - 95 с.

8. Захаров A.M. Диаграммы состояния двойных и тройных систем. -М.: Металлургия, 1978. 295 с.

9. Баланаева H.A., Бычков Ю.Б. Свойства литейных алюминиевых сплавов АК7 и АК5М7. Литейное производство, 1981, № 7, с.8-9.

10. Баланаева H.A., Гудкевич В.М., Бычков Ю.Б. Исследование свой- 150 ств литейного алюминиевого сплава АК5М2. Литейное производство, 1980, £8, с.9.

11. Баланаева H.A., Бычков Ю.Б. Свойства литейных алюминиевых сплавов АК9 и АК4М4. Литейное цроизводство, 1982, № 7, с. 14-15.

12. Гудкевич В.Н., Микуляк О.П., Ефименко В.П. В кн.: Совершенствование производства и повышение качества вторичных алюминиевых сплавов. М.: Цветметинформация, 1977, с. 10-16.

13. Бычков Ю.Б., Городничий Н.И., Цветная Л.И. Формозаполняемость литейных алюминиевых сплавов из вторичного сырья. Литейное производство, 1981, $ 4, с.9-10.

14. Коротков В.Г. Свойства вторичных алюминиевых литейных сплавов. В кн.: Литейные свойства металлов и сплавов. М., 1967,с.252-256.

15. Влияние металлических примесей на свойства алюминиевых литейных сплавов /Стромская H.H., Смирнова Т. И., Климова В. А. и др. В кн.: Алюминиевые сплавы, М., 1963, вып.1. Литейные сплавы, с. 55-72.

16. Постников Н.С. Коррозионностойкие алюминиевые сплавы. М.: Металлургия, 1976.

17. Колобнев И.Ф., Крымов В.В., Мельников A.B. Справочник литейщика. Цветное литье из легких сплавов. М.: Машиностроение, 1974. - 415 с.

18. Алюминиевые литейные сплавы: Проспект. Донецк: ВНИИПВтор-цветмет, 1977. - 4 с.

19. Горшков A.A., Гребенкин B.C., Сильченко Т.В., Слюсарев Н.Т. Влияние магния на свойства вторичных алюминиевых сплавов. -Литейное производство, 1968, № II, с.29-30.

20. Шаров М.В., Гурова Л.М. Влияние железа на структуру и механические свойства сплавов AI- St- Му .-В кн.: Вопросы технологии литейного производства. М.: Оборонгиз, 1963, с.5-18.1. Тр. МАТИ; Вып. 56).

21. Селезнев Л.П. Влияние магния на механические и литейные свойства сплавов системы алюминий-кремний-медь с высоким содержанием примесей. Бюлл. Цветная металлургия, 1968, № 13, с. 40-42.

22. Пархутик П.А., Селезнев Л.П., Лубенский М.З., Дудецкая Л.Р. Влияние цинка и магния на механические свойства сплава АЛ10В.- Цветные металлы, 1970, № 12, с.52-55.

23. Пархутик П.А., Лубенский М.З., Селезнев Л.П. Влияние цинка и магния на жаропрочные свойства сплава АЛ10В. Бюлл. Цветная металлургия, 1970, № 9, с. 40-43. ^ .

24. Ефименко В.П., Гудкевич В.М., Первиль В. И., Рудой В. А. Влияние цинка на свойства и структуру силуминов. В кн.: Прогресс технологии литейного производства в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении. Ростов н/Д, 1980, с.62-65.

25. Селезнев Л.П., Лейбов Ю.М., Базилевский В.М. Влияние* цинка на механические и литейные свойства сплавов АЛЗВ, АЛЭВ и АЛЮВ.'- Бюлл. Цветная металлургия, 1968, № I, с.34-38.

26. Лейбов Ю.М., Селезнев Л.П., Базилевский В.М. Влияние металлических примесей на свойства вторичных алюминиевых литейных сплавов. Бюлл. Цветная металлургия, 1967, № 22, с.48-51.

27. Ефименко В.П., Славгородский Н.Д. Оптимизация состава и микролегирование сплавов системы алюминий-кремний-медь. В кн.: Прогресс технологии литейного производства в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении, Ростов нД, 1980, с.71--73.

28. Гуляев Б.Б., Ковалев А. С. Оптимизация составов алюминиевых сплавов. Литейное производство, 1969, & 10, с.19-20.

29. Баланаева H.A., Бычков Ю.Б., Попов А.Н. Влияние легирующих элементов на свойства сплава АК7МЦМг2. В кн.: Прогресс технологии литейного производства в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении, Ростов ц/Д, 1980, с.66-70.

30. Купершток Ю.Е., Попов А.Н., Уманская A.A. Разработка режима термообработки сплава АК7М2Мг2. В кн.: Прогресс технологии литейного производства в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении. Ростов н/Ц, 1980, с.74-77.

31. Аристова H.A., Колобнев И.Ф. Термическая обработка литейных алюминиевых сплавов. М.: Металлургия, 1977. - 144 с.

32. Лейбов Ю.М., Базилевский В.М. Влияние меди и железа на эффективность термической обработки сплава АЛ9В. Бюлл. Цветная металлургия, 1968, № 13, с.38-40.

33. Мондольфо Л.Ф. Структура и свойства алюминиевых сплавов.1 М.: Металлургия, 1979. - 640 с.

34. UTilUno, V.j yiziYWti&cM, JU.j Ifftitfiywwk id. üistln. MUaJll., Ш5, м. 66., 5. т-1Ы.

35. Кашевник Л.Я., Белоусов H.H. В кн.: Модифицирование силуминов, Киев, 1970, с.131-142.

36. Келли А., Никлсон Р. Дисперсионное твердение сплавов. М.: Металлургия, 1966. - 288 с.

37. SkbUcJkjf (Р., Oppoüvt Ü., tosest. Melodik № ed., Щ.1, S. 43-8i.

38. Щеголева T.B. Механизм старения сплава AI-Jtt(j Si . - Физика металлов и металловедение, 1968, т.25, вып.2, с.246-254.

39. Влияние малых добавок бериллия, титана и циркония на структуру и свойства сплава АЛЭ /М.Ф.Комарова, Н.Н.Буйнов, А.Я.Иоффе и др. Физика металлов и металловедение, 1973, т.36, вып.Т; с.140-148.49. tfoiwiowt И., Яиат JV. fc. JUMOIA, МЧО,5 5ZS-555,

40. Золоторевский В.С., Рафиков В.З. Электронно-микроскопическое исследование продуктов старения вторичных силуминов. В кн.: Металлургия и металловедение цветных сплавов. М., 1982, с. 128

41. Бычков Ю.Б., Ершов Г.С., Виткалов И.О.-, Филатов Г.П. Разработка и внедрение высокопрочных литейных алюминиевых сплавов из лома и отходов. Бюлл. Цветная металлургия, 1981, № Г7, с.36-38.

42. Рафиков В.З. Закономерности старения и оптимизация режимов термообработки силуминов: Автореф. дис. . канд.техн.наук.- М., 1983. 24 с.

43. Березянская Н.Б. Разработка и исследование высокопрочных вторичных силуминов: Автореф. дис. . канд.техн.наук. М., 1980.- 25 с.

44. Золоторевский B.C., Рафиков В.З., Курдюмова Т.А. Оптимизация режимов старения вторичных медистых силуминов. В кн.: Высокопрочные цветные сплавы и прогрессивные методы производства отливок. - М.: ВДНТП, 1983, с.72-80.

45. Смитлз К.Дж. Металлы. М.: Металлургия, 1980. - 446 с.

46. Зедгинидзе И. Г. Планирование эксперимента для исследования многокомпонентных систем. М.: Наука, 1976.' - 390 с.

47. Агеева Г.Н. Изв. ВУЗов. Цветная металлургия, 1980, № 5, с. 72-74.- 155

48. Лейбов Ю.М. Исследование некоторых вопросов повышения качества вторичных алюминиевых литейных сплавов: Автореф. дис. . кавд. техн. наук. М., 1971. - 20 с.

49. Леках С.Н. Влияние процесса микролегирования на форму включений интерметаллических фаз в алюминиевых и магниевых сплавах: Автореф. дис. . канд. техн. наук. Минск, 1974.- 20 с.

50. Ершов Г.С., Бычков Ю.Б. Физико-химические основы рационального легирования сталей и сплавов. М.: Металлургия, 1982.- 360 с.

51. Гуляев Б.Б. Физико-химические основы синтеза сплавов. Л.: ЛГУ, 1980. - 192 с.64. 1^ляев Б.Б. Теория литейных процессов: Учебн. пособие для ВУЗов. Л.: Машиностроение, 1976. - 216 с.

52. Воздвиженский В.М. Прогноз двойных диаграмм состояния. М. : Металлургия, 1975. - 224 с.

53. Ребщцер П.А. В кн. : Физический словарь. М. : СЕТИ, 1937, т.3,с.976.

54. Мальцев М.В. Модифицирование структуры металлов и сплавов. -М.: Металлургия, 1964. 282 с.

55. Ламихов Л.К., Самсонов Г.В. 0 модифицировании алюминия и сплава АЛ7 переходными металлами. Цветные металлы, 1964, № 8, с.79-82.

56. Самсонов Г.В. Физические свойства некоторых фаз внедрения.- Докл. АН СССР, 1953, т.93, с.689-692.

57. Ламихов Л.К., Самсонов Г.В. 0 модифицировании алюминия переходными металлами. Изв. АН СССР 0ТН. Металлургия и горное дело, 1963, J& 2, с.96-98.

58. Альтман М.Б., Строганов Г.Б., Постников Н.С. К вопросу о повышении свойств силуминов. В кн.: Сплавы цветных металлов. М.: Наука, 1972, сЛ80-186.- 156

59. Альтман М.Б., Самсонов Г.В., Смирнова Т.И., Дудник Е.М., Сы-ромятникова М.А. К вопросу о модифицировании силуминов. В кн.: Структура и свойства легких сплавов. M., 1971, с.105--Ш.

60. Голутвин Ю.М. Теплота образования и типы химической связи в неорганических кристаллах. М.: Наука, 1968, - 196 с.

61. Колобнев И.Ф. Жаропрочность литейных алюминиевых сплавов. -- М.: Металлургия, 1973. 320 с.

62. Филипов В.Ф. Влияние малых добавок переходных металлов на некоторые свойства литого циркония: Автореф. дис. . канд. техн.наук. Киев, 1969. - 20 с.

63. Елагин В.И. Легирование деформируемых алюминиевых сплавов переходными металлами. М. : Металлургия, 1975. - 248 с.

64. Гаврилин И.В., Ершов Г.С., Каллиопин И.К. 0 выборе рациональных модификаторов второго рода для стали. Изв. ВУЗов. Черная металлургия, 1974, £ I0,c.I35-I4I.

65. Гаврилин И.В., Рыжиков A.A., Ершов Г.С., Каллиопин И.К. 0 выборе рациональных модификаторов I рода для стали. Изв.ВУЗов. Черная металлургия, 1977, Л 4, с.90-94.

66. Худокормов Д.Н. Роль примесей в процессе графитизации чу Гунов. Минск: Наука и техника, 1968.

67. Мальцев М.В. Металлография промышленных цветных металлов и сплавов. М. : Металлургия, 1970.

68. Боом Е.А. Природа модифицирования сплавов типа силумин. М. : Металлургия, 1972.

69. Шаров М.В. Процесс модифицирования алюминиево-кремниевых сплавов в свете новых исследований. В кн. : Металлургия и металловедение цветных сплавов. M., 1982, с.76-82.

70. Таран D.H., Мазур В.И. Структура эвтектических сплавов. М.: Металлургия, 1978. - 311 с.- 157

71. Лейбов Ю.М., Базилевский В.М. Легирование вторичного алюминиевого литейного сплава АЛ9В переходными металлами. В кн.: Металлургия вторичных цветных металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1972, с.81-86. (Тр. Гипроцветметобработка; Вып.36).

72. Баранов A.A., Ефименко В.П. Модифицирование сплава АЛ34 добавками ванадия и циркония. Лцтейное производство, 1976, № 9, с.18.

73. Ефименко В.П., Радзиховская В.П., Гернук H.A., Гразнов Ю.П. Промышленное опробование модифицированного сплава АЛ9В. Литейное производство, 1975, № П, с.37.

74. Вахобов A.B., Василевская Л.Е., Ганиев И.Н., Трубникова Э.Д. Совместное влияние стронция и иттрия на структуру и свойства сплава АК9. Литейное производство, 1982, В 10, с.32.

75. Эшонов К.К., Ганиев И.Н. Модифицирование сплава АК9 комплексной лигатурой. Литейное производство, 1982, № 4, с.35.

76. Ващенко К.й., Гнатуш В.А., Фирстов А.Н. Влияние иттрия, лантана ж цериевого мишметалла на свойства силуминов. Литейное производство, 1982, № 2, с.22-23.

77. Агеева Г.Н., Березянская Н.Б., Золоторевский B.C., Корнау-хов A.C., Мансуров Ю.Н. 0 влиянии малых добавок на механические свойства и структуру силуминов из лома и отходов. Цветные металлы, 1980, № I, с.99-102.

78. Бибиков E.I. Влияние титана и бериллия на свойства сплава АЛ9. В кн. : Вопросы технологии литейного производства. М.: Оборонгиз, 1963, с.19-27. (Тр.МАТИ; Вып.56).

79. Худокормов Д.Н., Галушно A.M., Леках С.Н. Влияние модифицирования на форму включений железосодержащей фазы в алюминиевых сплавах. Литейное производство, 1975, S 5, с.18-19.

80. Худокормов Д.Н., Галушко A.M., Леках С.Н. Образование силицида магния и железосодержащей фазы в алюминиевых и магниевых сплавах. Литейное производство, 1973, № 3, с.29-30.

81. Худокормов Д.Н., Галушко А.М., Тимошенко В.П., Костюкевич Э.Л., Неманенок Б.М. Литейное производство, 1980, № I, с.13.

82. Лейбов Ю.М., Селезнев Л.П., Базилевский В.М. Металлургическая компенсация железа во вторичном алкшшиевом сплаве АЛ9В. В кн. : Металлургия вторичных цветных металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1972, с.86-92. (Тр.Гипроцветметобработка; Вып.36).

83. Василевский Х.Г., Постников Н.С. Микролегирование силуминов и повышение их свойств. В сб.: Мовременные цветные сплавы и прогрессивные методы литья. М., 1974, с,71-78.

84. Галушко A.M., Немененок Б.М., Тимошенко В.П. Микролегирование низкосортных материалов для получения качественных отливок из алюминиевых сплавов. Литейное производство, 1983, № 4, с.15-16.

85. Лейбов Ю.М., Нефедова H.A. Влияние некоторых тугоплавких до- 159 бавок на жаропрочность сплава АЛ9В. В кн.: Металлургия вторичных цветных металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1972, с.70-75. (Тр. Гипроцветметобработка; Вып.36).

86. Черкасов В.В., Постников И.О. Высокопрочные силумины и оптимизация их состава. В сб.: Современные цветные сплавы и прогрессивные методы литья. М., 1974, с.42-50.

87. Лабораторные и практические занятия по металловедению. /Воробьев E.H., Дадюкина Е.Х., Попов С.Н. и др. Новочеркасск: РИОНПИ, 1961. - 100 с.105. &.$<Áuwt. SUiDüUlíUbdz, 23, Я.8.

88. Металловедение алюминия и его сплавов: Справ, изд. 2-е изд., перераб. и доп. /Беляев А.И., Бочвар О.С., Буйнов H.H. и др. М.: Металлургия, 1983. - 280 с.

89. Барташов В.Г. Оптимизация состава вторичных доэвтектических силуминов: Дисс. . канд. техн. наук. М., 1983. - 215 с.

90. Лисенков А.Н. 0 некоторых планах второго порядка и их использовании при исследовании многофакторных объектов. В кн.: Проблемы планирования эксперимента. М., 1969, с.97-111.

91. Горелик С.С., Расторгуев Л.Н., Скаков Ю.А. Рентгенографический и электроннооптический анализ. М.: Металлургия, 1970. - 366 с.

92. Диаграммы состояния систем на основе алюминия и магния. /Бочвар Н.Р., Каданер Э.С., Падежнова Е.М. и др.; Под ред. М.Е.Дриц. М.: Наука, 1977. - 228 с.

93. Двойные и многокомпонентные системы на основе меди /Бочвар Н.Р,, Гузей Л.С., Лысова Е.В. и др.; Под ред. М.Е.Дриц.- 160 -- М.: Наука, 1979. 248 с.

94. Хансен М., Андерко К. Структуры двойных сплавов: В 2-х т. /Под ред. И.И.Новикова, И.Л.Рогельберга. М.: Металлург-издат, 1962.

95. Шанк Ф.А. Структуры двойных сплавов. М.: Металлургия, 1973. - 760 с.

96. Строение и свойства двойных металлических систем: В 4-х т./ А.Е.Вол. Справочник. М.: Наука, 1959.

97. Т.4. Системы кадмия, калия и кальция /А.Е.Вол, Й.К.Каган. -М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1979, 576 с.

98. Эллиот Р.П. Структуры двойных сплавов, т.1. Справочник. -М.: Металлургия, 1970. 455 с.-161 -ПРШШЕНИЕ