автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Разработка и освоение технологии легирования алюминиевых сплавов титаном посредством псевдолигатур

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Чеберяк Олег Иванович

РАЗРАБОТКА И ОСВОЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЛЕГИРОВАНИЯ

АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ТИТАНОМ • ' ПОСРЕДСТВОМ ПСЕВДОЛИГАТУР

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород -1997

еп сг.

Ч-»

сз со

ЕЧ5

Работа выполнена на кафедре "Машины и технология литейного производства' Нижег ородского государственного технического университета.

Научный руководитель:

Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой "Машины и технология литейного производства"

Г.И. Тимофеев

Официальные оппоненты:

- Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор

Б.П. Платонов

Начальник отделения ВНИИТСМ "Сириус", кандидат технических наук

Э.Н. Куртеев

Ведущее предприятие: АО " Вторцветмет "

/

Защита диссертации состоится "Ж^* 1997 года в часов на засе-

дании диссертационного Совета Д 063.85.08 при НИа -городском государственном техническом университете по адресу : 603600, г. Н.Новгород, ул. Минина , 24, НГТУ, корп. 1, ауд. 1258.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НГТУ.

i

Автореферат разослан "УР" _1997 года.

Ученый секретарь диссертационного Совета, кандидат технических наук

<? СС/-1

^5"-В.А. Василев

чГ «-

Общая характеристика работы.

Актуальность работы. В настоящее время в условиях рыночной экономики основной задачей в производстве литых заготовок из алюминиевых сплавов, является экономия материала за счет прогрессивных норм расхода компонентов шихты, разработка и внедрение малоотходных и энергосберегающих технологий и повышения качества литейной продукции. Один из основных путей в этом направлении 'состоит в модифицирующей обработке алюминиевых расплавов тугоплавкими элементами, которая-за счет измельчения зерна и улучшения структуры1 сплавов в литых заготовках, обеспечивает улучшение технологических свойств слитков й повышение физико-механических характеристик сплавов в отливках и деформированных полуфабрикатах.

Проблема материалов-модификаторов весьма важна для металлурги:!, алюминия и машиностроения . В металлургии алюминиевых сплавов наибольшее ряепрострагтеттг получило модифицирование при .'Помощи., лигатур-' модификаторов и модифицирующих фтористых солей. Но известные способы обработки расплавов имеют ряд существенных недостатков. Технология выплавки лигатур сложна, энергоемка и не всегда обеспечивает высокое качество сплавов. Фгоридная технология сопровождается неизбежными потерями элемента-модификатора, что влияет на степень модифицирующего эффекта и отражается на стабильности свойств сплавов, а также ущербна в экологическом . отношении. -

В связи с вышеизложенным, особую актуальность имеет разработка новых материалов-модификаторов и методов модифицирующей обработки алюминиевых сплавов. . - . . .. .................. -. ....

Ноль работы. Разработка и освоение более простой, экологически чистой технологии производства лигатур для ввода тугоплавких элементов в частности титана в сплавы алюминия, получаемых не путем высокотемпературной плавки, а прессованием исходных компонентов в брикеты - псевдолигатуры, состоящие из смеси порошкообразных и зернистых материалов основного металла - алюминия и тугоплавкого легирующего элемента - титана.

Исследование мехатима Й кинетики растворения псевдолигатур в расплаве алюминия, степени усвоения легирующего тугоплавкого компонента.

Исследование структуры и свойств алюминиевых сплавов при их легировании псевдолигатурами.

- В соотвстстг .¡I с поставленной целЪю в работе решены следующие зада чи:

- разработан, технологический процесс приготовления псеадолигагур в.виде ле- .

гирующих брикетов; ' .

- исследованы особенности взаимодействия дисперсных компонентов, разрабо-

тана и решена математическая модель диффузионного м?ссопереноса в дис-■ пер'спой среде, на основании которой дана' количественная оценка структур; ним составляющим образующимся в результате встречной диффузии компонентов; . „ - . ......... .... . ..................• ....

- в соответствии с результатами исследования диффузионного маосопереноеа в

дисперсной среде лодрбряно рациональное соотношение компонентов леги-• рующего брикета, установлен их оптимальный гранулометрический состав;

- оценено влияние технологических параметров приготовления псевдолигатуры ■на степень усвоения тугоплавкого компонента сплавом;

- определены основные технологические особенности и параметры плавки алю-

миниевых сплавов в газовых и электрических печах с применением псевдолигатур.

- исследованы структуры и свойства литейных алюминиевых сплавов при ведении плавки с применением псевдолигатур.

- опробована в промышленных условиях технология производства и использования 10 % псевдолигатуры алюминий-титан и установлен модифицирующий эффект при ее применении.

• Научная нозична'работы. Изучен механизм растворения- тугоплавких металлов при введении их в составе псевдолигатур - порошкообразной смеси тугоплавкого метадла с основным материалом. Растворешоо частицы тугоплавкого металла предшествует встречная диффузия основного металла в жидком ■ состоянии, сопровождающаяся образованием сложных иитсрметаллидов., На основе решения уравнения массопереноса методом конечных разностей определены соотношения основных параметров растворения.

Определены кинетические зависимости растворения псевдолигатуры, позволившие определить температурные и временные характеристики технологии.

Установлено более эффективное модифицирующее действие элементов при вводе их в составе псевдолигатуры. .,

Получено положительное решение на выдачу патента РФ на технологию и состав псевдолигатуры алюминий - тйтаи.

Практическая ценность. Предложена новая, более эффективная, экологически чистая технология введения в алюминиевые сплавы тугоплавкого элемента - титана с повышенным содержанием легирующего компонента в виде псевдолигатуры алюминий-гитан с 10 % титана. Разработана технология получения псевдолигатуры алюминий-бор. Разработанные технологии снижают потери легирующего элемента и обеспечивают его стабильный переход в расплав алк>-, миния. Производство псевдолигатур предусматривает использование "менее энергоемкого технологического оборудования, позволяет снизить расход материалов, что в конечном, счете значительно снижает себестоимость получаемой продукции. Рассмотрена возможность применения в качестве материала основы легирующего брикета отходов собственного производства в виде стружки получаемой при обработке отливок ленточной пилой.

Реализация работы. Разработанная технология легирования алюминиевых сплавов тугоплавкими компонентами при помощи псевдолнгатур-модмфикаторов прошла опытно-промышленные испытания на Нижегородском заводе "АО. Теплообменник Арсеньсвском Авиационно-промышленном Объединении "Прогресс" ( Дальний Восток ), Нижегородском заводе " АО Машиностроительный завод".

Достоверность и обоснованность научных" положении, выводов'и рекомендаций по применению псевдолигатур подтверждены удовлетворительной сходимостью данных теоретического анализа с экспериментальными результа-

тами, а также результатами опытно-промышленного опробования технологии производства и использования легирующих брикетов.-----

Апробапия наборы. Результаты работы доложены и обсуждены на VII научно-технической конференции "Неметаллические включения и газы в литейных сплавах"(г. Запорожье, 1994 г.), на межвузовской конференции(г. Екатеринбург, 1995 г.). .

Публикации. По теме .диссертации имеется 3 публикации и получено положительное решение на выдачу патента РФ.

Структура и объем работы, Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка используемой литературы ( ¿2,6 наименований ) й приложений. Работа содержит О страниц машинописного текста, 3 3 рисунков, 1Р таб" лиц. ' . - ■ ' "

Основное Содержание работы

В первой главе рассмотрены современные технологии приготовления алюминиевых легирующих и модифицирующих лигатур содержащих в своем составе титан, бор, цирконий и другие тугоплавкие элементы.

Анализ литературных и патентных источников позволил установить, что существующие и применяемые в настоящее время технологические процессы плавки алюминиевых сплавов, содержащих в своем составе легирующие и модифицирующие добавки тугоплавких компонентов обладают рядом недостатков. Наибольшее распространение в металлургии алюминиевых сплавов получили легирующие и модифицирующие лигатуры Al-Ti, AI-B, AJ-T1-B, причем последняя признана наиболее универсальной и эффективной. '

В подавляющем большинстве публикаций производство лигатур и модификаторов связывается ^высокотемпературными процессами реализованными в лабораторных и производственных условиях с использованием вредных веществ, либо выделяющих вредные газы фтористых соединений. В промышленных условиях лигатуры А1-Т1 получают сплавлением исходных компонентов . проходящем при высоких температурах с двойным переплавом, при помощи фтористых солей: ' -jTiF<, йот растворением метких кусков шихты титана.

В толковании механизма модифицирования алюминиевых сплавов добавками титана я бора иыаот место разные подходы. Большинство исследователей -считают причиной измельчения зерна, действие частиц титаисодержащих соединений, как зародышей кристаллизации, отвечающих принципам структурного и размерного соответствия основному металлу- алюминию.

По итогам обзора литературных источников сформулированы следующие задачи данной работы: ^

- разработать технологический процесс приготовления псевдолигатур в виде прессованных брикетов из смеси порошкообразных и зернистых компонентов основного металла и тугоплавкогоэлемента; •

- изучить механизм и кинетику растворения тугоплавкого элемента в составе псевядоликпуры в процессе приготовления алюминиевого сплава;

-обосновать основные технологические параметры приготовления псевдолигатур; ............'

- разработать технологические режимы плавки алюминиевых сплавов с использованием псевдояигатур;

6 ,

- исследовать влияние технологического процесса плавки алюминиевых сплавов с псевдолигатурами на структуру и свойства сплавов;

- опробовать разработанный технологический процесс в различных производ-

ственных условиях.

2. Физико-математические закономерности процесса массопереноса в объеме псевдолнгатуры.

Псевдолигатура представляет собой порошковое тело, при анализе которого особое внимание уделяется особенностям, отличающим его от компактного тела. Дисперсный материал, в отличии от компактного, имеет большое количество дефектов кристаллического строения:,повышенная плотность дислокаций и блоков, нарушения в ближнем и дальнем порядке., субмикропористости, остаточнь'с напряжения и др. Наличие этих дефектов приводит к повышению' внутренней н избыточной поверхностной энергии, что оказывает значительное влияние на ускорение <диффузионных процессов в объеме легирующих брихс- .

ТОЗ. ' ' ■ .

Для изучения диффузионных процессов в объеме псевдолигатуры'разра-ботана физическся модель порошкового тела, которая представляется следующим образом. После перемешивания и прессования составляющих псевдолига-т>ры по объему легирующего брикета равномерно распределены порошинки тугоплавкого компонента округлой формы, отделенные друг от друга слоем легкоплавкого составляющего. При этом плотность легкоплавкого материала считается такой, что матрица практически не содержит .межчастичных пор и рассмачривается как компактный элемент.

. Различаются две стадии массопереноса в объеме легирующего брикета. Первая - проявляется при хранении готового к применению материала. Когда составляющие находятся в твердом состоянии, возможно диффузионное насыщение приконтактных зон обоих компонентов - твердофазное спекание. Однако эта стадия не является определяющей в процессе сплавообразования, т.к. характеризуется малыми скоростями Диффузии. Вторая стадия реализуется при по-"гружении брикета в расплав и его прогреве до температуры сплава. В объеме брикета, на границе между элементами появляется жидкая фаза за счет плавления зерен основного металла. С появлением жидкой фазы, вследствие смачивания расплавом тугоплавких частиц, существенно возрастает, площадь взаимодействия компонентов и процесс вступает в наиболее важную стадию диффузи-, оиного массопереноса, стадию жидкофазного снскйния. Эта стадия характеризуется не только значительными коэффициентами диффузии, но и реализацией массопереноса по ускоренным путям-дефектам кристаллического строения порошинок тугоплавкого элемента.

Особое внимание в процессе диффузионного сплавообразования уделяется системам с ограниченной взаимной растворимостью, в которых при опреде-~ ленной концентрации компонентов образуется интерметаллидное соединение. В объеме легирующего брикета механизм образования интерметаллидсв реализуется до тех пор, пока в центре тугоплавкой частицы не будет достигнута концентрация соответствующая предельной растворимости компонентов.

С целью, определения оптимальной толщины легкоплавкой оболочки вокруг. тугоплавкой порошинки доя реализации диффузионных процессов с образованием интерметаллидов по всему объему псевдолигатуры, на основе идеали-

зирвванной модели концентрических сфер разработана математическая модель процесса массопереноса, В математической модели рассмотрена сферическая симметрия диффузии, для которой согласно второму закону Фика для нестационарного состояния потока, скорость накопления диффундирующего вещества в данном элементе объема имеет вид: • 8с Л" &С 10ъ

дх \дх,г лдт

(1)

где

с - концентрация одного из компонентов системы;

1 -время;

■ И - общий коэффициент гетеродиффузии;

г - радиус элементарной сферы. -

В области существования ограниченных растворов массоперенос регулируется эффективными коэффициентами гетеродиффузии, которые определяются в соответствии с моделями независимых и последовательных потоков перемещения вещества.

Ь^КЛ+ИЛ, (2)

!/!>*>= Ш^+КгШг, • (3)

где

Н - объемная доля 1-той фазы;

1>, - коэффициент диффузии в ¡-й фазе.

Для решения математической модели использовался численный метод конечных разностей, широко описанный в литературе.

Дифференциальное уравнение массообмена, в конечно-разностном представлении для диффузии в сферической системе координат имеет следующий вид:

„л

= С] +ОА1

С" ■

(лгу

2 + —

г

•>1:

Дг

(4)

где

С; - значение концентрация в узле сетки; ] - пространственная Координата узла; п - временна? координата узла;, Д1 - шаг по времени; Аг - шаг по пространственной координате; .И - коэффициент гетсродаффуэии в узле. Начальные условия: ( с, п ри

I

с{>

(5)

где

С1, сг - концентрация компонента в тугоплавком включении и легкоплавкой матрице соответственно; Я - раднус тутоллавкой частицы; К.1 - радиус элементарной сферы. _...... -

Граничные условия в конечно-разиостаой форме представлены гае дующим образом.

Для узла награшще элементарной сферы 5

< (си-ж+с;. 2 сг.-сг"

С"*1 = С* + ДА/- -Аи .—£2.+ £,_£!.— _ ' ■ * I (Лг)1 г Дг

• Для узла в центре диспергированной частицы:

с

ы-

(б)

(7)

и; > *

' Для узла на границе между элементами, в случав, анализа систем с ограниченной взаимной растворимостью компонентов:

сГ' =с°

где

си~2с*+си 2 С

1

-с* И_Ч

И

Дг

(8)

- эффективный коэффициент гетеродиффузии в области . существования ограниченных растворов или интерметаллидов. Результаты расчета, полученные в виде матрицы С=/( г, I ) графически представлены на рис. I - кривая 2 дай диффузии титана в составе псевдолигатуры А1 - П с коэффициентом диффузии: Г>п= 1,1 • Ю 5 сиУс.

20. 25

Время,мии.

Рис. 1 Зависимость продвижения диффузионной зоны от времени выдержки псевдолигатуры в расплаве алюминия

1 - кривая полученная на основе статистической обработки

диффузионных зон ряда зерен тугоплавкого элемента;

2 - кривая полученная на основе расчетных данпь-х

■■.v -9-

Согласно результатам расчета математической модели для диффузионного насыщения до предельной растворимостититана в алюминии в течении 25 минут,, концентрация титанового порошка гранулометрического состава 120 мкм должна составлять 10 %. Приведенная на ух азаном рисунке кривая 1, полученная по экспериментальным данным, дает несколько завышенные результаты, • свидетельствующие о том, что помимо атомарной диффузии согласно закону Фика протекают и иные процессы массообмена в объеме прессованного брикета. , ...........- ; - •

Для получения данных о структурных составляющих легирующего брикета был проведен рентгеноструктурный анализ объема образцов псевдолигатуры с различными , интервалами выдержки в расплаве алюминия. 'Рентгечоструктур-ный анализ подтвердил увеличение содержания интерметапида TiAlj в объеме псевдолигатуры с течением времени выдержки образцов в сплаве.

3. Исследование технологических параметров приготовления и использования псевдолига тур. •.

Весь процесс легирования при помощи псевдолигатур состоит из следующих стадий:

1) приготовление смеси порошков на основе выбранного их соотношения и зер-

нового состава; , .....................

2) изготовление достаточно прочных и компактных изделий в виде брикетов . .путем прессования смеси порошков, удобных для введения в расплав алюминия при выплавке сплава;

3) введение и растворение псевдолигатур в расплаве в процессе приготовления

сплава.

С целью определения влияния дисперсности составляющих псевдолигатуры на степень усвоения легирующего элемента был проведен ряд экспериментов по растворению легирующих брикетов с различным гранулометрическим составом компонентов. Согласно полученным зависимостям, уменьшение дисперсности тугоплавкого компонента применяемого при производстве йсевдоли--^ гатур сокращает время растворения легирующего'брикета. Так применение фракции титанового порошка 45-50 мкм при его концентрации в объеме 10 % обеспечивает время .распада пссвдолигатуры порядка 7 минут. Однако использование мелких составляющих экономически нецелесообразно, тле.это увсличи- " васт себсстоимосгь конечного продукта.- Использование грубых порошков по_____вышает тугоплавкость легирующих брикетов увеличивая энергетические затраты. Для производства псевдолигатур предлагается использовать порошки тугоплавких компонентов гранулометрического состава 100-250 мкм, они являются . сравнительно недорогами и обеспечивают время растворения легирующих брикетов порядка 25-35 мин при температуре алюминиевого расплава ~7505 С.

Дисперсность легкоплавкого элемента (алюминия), входящего в состав

псевдолигатур,' практически не влияет на время растворения брикетов, что даст.....

возможность использовать в производстве псевдолигатур порошки"гранулометрического состава порядка 500. мкм, а так же применять отходы алюминиевого -■ -литейного производства. Эксперименты по использованию в хачестве лепсо-. плавкого элемента алюминиевой стружки из под ленточной пилы, широко применяемой в обрубных отделениях литейных цехов,'дали хорошие результаты по усвоению легирующего элемента и показали возможность использовали* зтогЬ

материала при производстве псевдолигатур. Использование в качестве легкоплавкой оеновы легирующих брикетов алюминиевого порошка обусловливает, ся целым рядом причин:

1) алюминий имеет достаточно низкую температуру плавления;

2) образует с тугоплавкими элементами соединения положительно влияющие на структуру сплава; • ,

3) имеет хорошие показатели прессуемости;

4} снижает или устраняет возможность попадания в расплав вредных примесей;

5) является сравнительно недорогим и доступным материалом. '

В качестве тугоплавкого компонента легирующих брикеггов используются порошки титана, циркония и ферробора средней дисперсности, выпускаемые промышленностью для нужд порошковой металлургии.

Существенное влияние на процесс растворения псевдолигатур и степень усвоения легирующего элемента алюминиевым сплавом оказывает соотношение компонентов входящих в состав легирующего брикета. Проведенные в этой области исследования выявили следующие закономерности ( см. табл. 1).

Содержание тугоплавкого компонента порядка 2% снижает устойчивость брикета в сплаве, при этом нарушается необходимый механизм диффузионного . взаимодействия, брикет быстро распадается и легирующий элемент в чистом виде переходит в сплав, снижается модифицирующее действие элемента. Коэффициент усвояемости при использовании таких брикетов не превышает 0,7.

. . ^ Таблица 1

Влияние концентрации тугоплавкого компонента псеВдолигатуры на время растворения прессованного брикета н степень усвоения легирующего элемента

№ Концентрация тугоплавкого Время растворения Коэффициент

п.п. элемента* брикете, % брикета, м«н. усвояемости тита-

. ■ на сплавом

1 2 3-5 -0,7

2 5 10-12 ~0,8

3 10 25-.30 -0,98

4 15 -50 0,92-0,95

5 20 более 60 *

Содержание порошка тугоплавкого элемента более 10 % увеличивает время растворения лешрующего брикета, усложняя процесс легирования сплава. Оптимальное содержание тугоплавкого компонента гранулометрического состава 100-250 мкм составляет - 10 %. При такой концентрации легирующего элемента брикет имеет приемлемое время растворения (25-30 мин.) с коэффициентом усвояемости тугоплавкого компонента порядка 0;98, Необходимо отмстить, что уменьшение дисперсности порошка тугоплаахого компонента используемого при производстве псевдолигатур позволяет повышать сто содержание в объеме брикета, при этом не нарушая механизма перехода легирующего элемента в расплав. 4

и

Эхсперимешальным путем определены режимы изготовления легирующих брикетов. Время перемешивания компонентов псездолигатуры в основном зависит от применяемой установки. В работе использовался двухконусный сч~ ситель. Критерием однородности смеси при производстве лагирукшгих брикетов служит формирование разделительного слоя легкоплавкого компонента между. тугоплавким достаточного для реализации диффузионного процесса. Тояшипз разделительного слоя определяется из решения математической модели длффу-зионного массоперепоса. Для порошковой смеси содержащей iOI'n тугоплавкого компонента гранулометрического состава 100-250 мкм. время перемешивания в ' двухконуеном смесителе составляет 15-20 мин. Повышение концентрации леги- ■ рующего элемента требует увеличения времени перемешивания комнои«ятав. -

' • Изготовлен«-? л<я ируншщх - брикетов цилиндрической <*срмьг осуществляется прессованием в типовой лрессфор*-'с"состоящей из верхнего пуансона, матрицы и нижнего njT.acÓHir. Уплотнение при прессовагти-дегирузощкх брикетов происходит- зз i-чет сокращения межчастичных пор и деформации алюминиевого порошка, имеющего значительно более высокие показатели прессуемосш. Давление прессования подбиралось из условия достижения проч- . ности, необходимой для транспортировки, храпения и применения легирующих брикетов без осыпания. Оптимальное давление прессования для произзодстаа псевдолигатур составляет 250-300 кг/см2 (24,5-29,4 МПа). Повышение давления прессования не оказывает влияние на степень уезоения легйрукмнегз элемента, однако значительно увеличивает износ прессформы. Применение более низких давлений не обеспечивает необходимой плотности и прочности легирующих брикетов, вызывает повышенную Осыпаемость и неизбежные потерн. . •

С целью увеличения срока службы металлической оснастки, для производства псёвдолигатур в указанном интервале давлений прессованна рекомендуется использовать инертный смазывающий материал следующего состава: 1) дисульфид молибдена, порядка 0,1%; 2) графит, порядка 0,1%; 3) вазелиновое масло - остальное.

Технологический процесс производства легирующих брикетов разоабо! ан с учетом введения псевдолигатур в расплав при температуре порядка 730-7о0 "С.

Плотность псевдолигатур имеющих в своем составе 10% тугоплавкого компонента, полученные при давлении прессования 24,5-29,4 МПа имеют плотность порядка 2,35-2,47 г/см1 , что несколько меньше'плотности расплава a no-, -миния. Поэтому не происходит опускания брикетов на дно металлической ванны. Легирующие брикеты размещаются в верхнем слое металлической панны ... непосредственно под зеркалом металла. Такое расположение представляется более предпочтительным, т.к. во первых позволяет снизить загрязнение металла неметаллическими включениями (в том числе образующимися при выгорании смазывающего материала), а во вторых, способствует более равномерному распределению ограниченных растворов (ннтерметаллидов), которые "за-сл^гт большей плотности перемещаются в металлической чанне сверху вниз и растворяются. 4"

Изучение кинетики растворения легарующих брикетов в алюмзптезем расплаве выявило ряд принципиальных особенностей. В отличии от чистого ту- ' гоплавкого металла и плавленной лигатуры растворение которых происходи послойно с момента погружения в сплав, легирующие брикеты некоторое время сохраняют свою форму. Химический анализ образцов сплава отобранных в -»¡с; промежуток времени показывает незначительное увеличение содержания'ле?-и''

рующего элем «па в объеме металлической ванны, что объясняется переходом тугоплавкого компонента с поверхности брикета. В микрообъеме псевдолигатуры на границе тугоплавкое включение-легкоплавкая матрица в этот промежуток г.ремени интенсивно проходят диффузионные процессы с образованием ограниченных растворов. Исследование микроструктуры образцов псевдолигатуры алюминий-титан с различными интервалами выдержки в расплаве алюминия показало наличие светлой оторочки между частицей титана и алюминиевой оболочкой. Эта зона (зона ограниченных растворов) увеличивается с течением времени выдержки легирующего брикета в расплаве и к моменту распада псевдолигатуры охватывает значительную часть тугоплавкого включения. Кроме, этого, происходит деление образующейся зоны, что приводит к перераспределению структурных составляющих по объему брикета.

Растворение (распад) легирующего брикета связывается с образованием в объеме пссвдолигатуры большого количества структурных составляющих с температурой плавления значительно ниже температуры плавления частицы тятина. После распада легирующего брикета, у соответствии с результатами химического анализа, происходит быстрое, скачкообразное повышение содержания легирующего элемента в сплаве. Кривые растворения куска титана (сплав ВТ6), 5% лигатуры и 10% псевдолигатуры алюминий-титан представлены на рис. 2.

Рис.2 Кинетика растворения титана, 5 % лигатуры А1-Т1 10 % псевдолигатуры АМ1

1 - кривая растворения титана ( сплав ВТ-б);

2 • кривая растворения 5 % лигатуры АЫЧ;

3 - кривая растворения 10 % псевдолигатуры А1-Т1

13 . .

4. Исследование влияния пссвдолигзтур -----на структуру а свойства алюминиевых сплавов.

Исследование модифицирующей способности псевдолигатур проводилось на литейных сплавах АК 7 и АЛ 23 ГОСТ 1583-93. Для проведения сравнительного анализа указанные сплавы обрабатывались 5% лигатурой и.10% псевдоля-гатурой алюминий титан. Исследование микроструктуры немодифицироваиио-го сплава АК 7 и сплава модифицированного 5% лигатурой и 10% псевдопигз-хурой проводилось на образцах залитых в сухую песчано-глинистуто "форму, стальной и латунный кокили. Установлено, что введение титана в сплав уме«« -шает как размер зерна первичных выделений а-твердого pdinops, т'дк и зерня колонии эвтектики. Наиболее сильное измельчение структуры слитка проел е-живается у шлака »лодцф'ииированного титаном из псевдолигатуры, особенно на образцах залитых в стальной и латунный кокили. При введении легирующего элемента из 10% псездолигатуры алюминий-титан временное сопротивление разрыву у образцов сплава АК 7 залитых в сухую йесчано-глинистую форму повысилось в среднем с 130 МПа до 150 МПа, относительное удлинений повысилось с 0,5 до 0,83 %; у образцов сплава АЛ 23 залитых в песчаио-глин'истузо "форму относительное удлинение возросло с 4 до 5,1%. Для получения данных о влиянии модифицирования на размер встречающихся фаз проведены вания по методике количественной металлографии для образцов сила?л АК 7. Результаты исследования представлены в табл. 2.

..Проявление устойчивого модифицирующего Эффекта сидазов п* [ введенным из 10 % легирующего брикета связано с размерами и формой образующихся интерметаллидов TiAlj. В объеме псевдолигатуры образуются интер-металлидные соединения компактной формы с размерами не превышающими 30 мк.м.

Iдолина.

• Изменение среднего размера зерна сплава модифицированного 5% лигатурой и 10 % псевдолигатурон А1-ТГ

Способ литья Уменьшение размера зерна,колич. раз.

п.п. а- твердый раствор эвтектика

Сплав модифицированный 5 % лигатурой.

1 Литье в песчано-глини- . стую форму 1,44 . 1.25 :

2 Литье й стальной кокиль 1,3 1.13 ;

ч J Литье в латунный кокиль 1,57 ' - и ; 1 ________1

Сплав модифицированный 10 % ясевдолигагуроч. '

1 Литье з пссчано-глиии- 2,4 ...... - 1,00 j

ег/ю форму ...... !

2 Литье в стальной . кокиль • 1,8 13 |

3 Литье в латунный кокиль 1,9 ■ 1.5 |

5. Технико-экономическое обоснование использовании технологического -процесса легирования алюминиевых сплавов ори помощи псевдолигатур

Применение при легировании литейных алюминиевьтх сплавов, специально приготовленных легирующих брикетов, является экономически более выгодным нежели применение в этих целях лигатур, широко используемых в производстве » настоящее время.

Снижение затрат при использовании псевдолигатур'обусловленно рядом осоСсностсй процесса изготовления и применения легирующих брикетов.

Псездолигатуры изготавливаются из порошков средней дисперсности или с использованием отходов обрубных отделений литейных цехов (возможно применение алюминиевой стружки из под ленточной пилы ), это не только значительно сокращает затраты иа приобретение дорогостоещего материала, используемого при выплавке обычных лигатур, но и решает проблему использования отходов собственного производства!

Используемый способ приготовления псевдолигатур позволяет увеличить концентрацию тугоплавкого компонента в объеме легирующих брикетов, что приводит к экономии основного материала.

Производство легирующих брикетов осуществляется на менее энергоемком технологическом оборудовании, что значительно снижает затраты на электроэнергию. '

Технологический процесс производства псевдолигатур 'исключает безвозвратные потери и угар металла имеющий место при выплавке лигатур по используемой в настоящее время технологии.

Применение легирующих брикетов не требует повышения температуры расплава , что снижает энергетические затраты и потери материалов при при-£ отоплении алюминиевых сплавов. ,

Ожидаемый экономический эффект от внедрения в производство техиоло-гиии приготовления и использования легирующих брикетов из порошковых материалов составляет . 21 511 994 руб от каждой тонны псевдолигату ры. Использование в качестве основного материала отходов собственного производства повышает ожидаемый экономический эффект до 42 211 994 руб от каждой тон-НЬ1 получаемой псеадо.тогатуры - модификатора. '

Выводи

Т. На основании имеющихся литературных данных обоснована целесообразность" разработки новых способов легирования алюминиевых сплавов тугоплавкими элементами. Установлено, что в металлургической практике отдается предпочтение введению легирующих элементов при помощи специально приставляемых сплавов (лигатур) и при помощи фтористых солей. Однако технология производства лигатур сложна, энергоемка и не обеспечивает необходимого качества материала, а фторидная технология сопряжена с значительными потерями легирующего компонента, ущербна в экологическом отношении'.

2. Предложен технологический процесс легирования алюминиевых сплавов тугоплавким металлом - титаном посредством псевдолигатуры , в виде прсссо-

• ванных брикетов из смеси порошков алюминия и титана. Процесс легирования характеризуется существенно меньшими энергетическими затратами, не _ сложными рабочими опреацнями и отсутствием вредных выделений в окружающую среду.

3. Разработана математическая модель процесса диффузионного массопсреносл в дисперсной среде, на основании которой предложен способ введения тугоплавких элементов в литейные алюминиевые сплазы при помощи прессованных брикетов - псевдолигатур-модификаторов , имеющих повышенное содержание легирующего компонента на уровне 10 % Т«, обоснован гранулометрический состав тугоплавкого элемента.

4. Подобраны и обоснованы технологические параметры приготовления .тит-

рующих брикетов А1 - Т» к А1 -В из порошковых материалов средней дисперсности, и с использованием отходов собственного производства - стружки алюминия от ленточной пилы.

5. Изучены меканизм и кинетика растворения псевдолигатур алюминий - титан

в расплаве алюминия при температуре сплава порядка 750° С. Определены условия обеспечивающие наиболее полное усвоение тугоплавкого компонента расплавом (до 98%).

6. Определены технологические параметры введения псевдолигатуры в расплав

алюминия: способ ввода, температура, время растворения. Эти оптанта не нарушают традиционный процесс плавки алюминиевых сплавов.

7. Исследовано изменение структуры и свойств алюминиевых сплапоп обработанных 10 % псевдолигатурой А1 - Л , аналогичной 5 % лигатуре, полученной сплавлением исходных компонентов. Установлено, что при использовании псевдолигатуры образуются мелкие интермсталлиды ПАЬ округлой формы, подобные образованиям химических соединении в тройной лигатуре А1 - Т1 - В Г(рн кристаллизации на соединениях ТШ: . Размеры ин^ме-таллидов не превышают 30 мкм , что заметно измельчает структуру слипсов и повышает механические свойства сплавов.

8. Показана экономическая целесообразность производства псевдолигатур из порошковых материалов и с применением отходов собственного производства. Обоснована возможность использования легирующих брикетов при приготовлении литейных ■ алюминиевых сплавов в промышленных

. условиях для плавки в газовых тигельных печах, индукционных и электрических печах сопротивления. .....

Основное содержа!ше диссертации отражено в следующих публикациях:

1. Чеберяк О.И, Тимофеев Г.И. Легирование алюминиевых сплавов тугоплав-

кими элементами с иомощыо пёевяойигатур И Тез. док, VII Научной технической конференции " Неметаллические включения и газы в литейных сплавах." - Запорожье, Н'94, с. 86. ..... '

2. Чеберяк О.И.-, Тимофеев Г.И. Механизм и кинетика растворения псевдолига-

туры в металлическом расплаве // Черная металлургия. - М.: 1, с. 7 -

9. '

3. Чеберяк О.И.; Тимофеев Г.И. Закономерности растворения псевдолигатур в

расплаве алюминия //Межвузовский сборник научных трудов. - Нижний. Новгород, 1997.

■ 16 4. ЧеСеряк О.И., Тимофеев Г.И. Заявка на выдачу патента РФ N95118096/02 " Способ приготовления алюминиево-титановой лигатуры для алюминиевых сплавов." Положительное решение от 24.04.96

Подп. к печ. 13.05.97. Формат 60x84 '/i6- Бумага ГЭЗСТНак. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0 . Тираж 100 экз. Заказ 17? . Бесплатно._

Типография НГТУ. 603600, Н.Новгород, ул.Миннна, 24.