автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Совершенствование и создание новых методов обработки расплава с использованием высокой скорости кристаллизации для повышения эксплуатационных характеристик литейных алюминиевых сплавов

БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОЛИТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

УДК 621.74:669

ДОЛГИЙ Леонид Петрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ И СОЗДАНИЕ НОВЫХ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ РАСПЛАВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВЫСОКОЙ СКОРОСТИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛИТЕЙНЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

05.16.04-Литейное производство

Автореферат диссертации на стают« ученой степени гацццдата техничеаш наук

Минск 1996

Работа выполнена в Белорусской государственной политехнической академии.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Худокормов Д.Н.

Научный консультант:

кандидат технических наук, доцент Довнар Г.В.

Официальные оппоненты:,

доктор технических наук, профессор Есьман Р.И.;

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Акцрушевич А.А. .

Оппонирукщая организации:

Защита состоится

Белорусский научно-исследовательский и конструкторско-технологичесжий институт литейного производства(г.Минск)

1996 г. в 14 часов

на заседании совета по защите диссертаций Д.02.05.06 в Белорусской государственной политехнической академии по адресу: 220027, г. Шнек, проспект Фр. Скоривд, 65, корп. 1, ауд. 202.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусской государственной политехнической академии.

Автореферат разослан

"¿У" 1996 --С-

Ученый секретарь совета по защите диссертаций Д.02.05.06, кандидат

технических наук, доцент /¡('.¿ил/ Немененок Б.М.

¿Г

© Долгий Л.П., 1996

- 1 -

ОНЩ!Я ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теьы. Совершенствование существующих и создание принципиально ноеых, экалотически чистых и экономичных технологических' процессов обработки расплава представляется одним из основных путей решения задач по повыиению надежности литых изделий, рациональному использованию материальных ресурсов. Несмотря на успехи, достигнутые в данной области, проблема качества литейных сплавов не теряет своей актуальности.

Широкое применение в практике цветнолитейного производства нашел метод микролегирования - введение небольших добавок некоторых активных элементов и соединений. Формирование высоких свойств при микрслегировании во всех случаях связывается с измельчением и распределением структурных составлягадах. Если по вопросу практического применения указанного метода принципиальных разногласий у исследователей не возникает, то по проблеме, касамцейся механизма воздействия добавок на размеры и форму кристаллических образований,, до сих пор' нет единого мнения.

Достаточно эффективные средством повыиения качества литья считается метод рафинирования расплавов. Однако зачастую рафинирование связано либо с использованием славных технических устройств, либо с экологически неблагоприятной обстановкой на рабочих местах. Все чащэ для очистки, расплавов применяется фильтрация. Это направление требует как продолжения исследовательских работ, так и поиска новых практических ^цжпожений.

В ряде случаев промышленные алкминиевыз сплавы не удовлетворяет пользователей в отношении некоторых специальных свойств, которыми должны обладать отдельные узлы и агрегаты, например износостойкость, коррозионная стойкость, жаропрочность. Указанным свойствам соответствуют- сплавы,' содержание достаточно высокое количество тугоплавких металлов. Однако такие сплавы при наличии в их структуре игольчатых интерметаллических фаз, резко сниягакпцх технологические и механические свойства, использовать в литейной технологии- не представляется возможным.

Получение сплавов с дисперсной гетерогенной структурой при высоком содержании переходных металлов еозможно с использованием высоких скоростей охлаждения. Быстроохлавденные дисперсные материалы широко применяются в технологии обработки металлов давлением и порошковой металлургии. В литейном производстве использование быстроохлажденных сплавов видится в качестве высо-

коконцентрированных лигатур при их полном или частичном растворении в расплаве для получения однородных гетерогенных сплавов.

Связь работы с крувдали научными программами. Настоящая работа выполнена в соответствии: с программой Совета Министров РБ "Ресурсосбережение па 1993-1995 гг. и на период до 2005 г.", задание 1.28 "Исследовать и разработать комплексную технологию получения поршневого алюминиевого сплава на основе вторичных материалов и отходов смежных производств и создать промыдлешый участок по производству поршней для ремонта автотракторных двигателей"; с программой НИР. Министерства образования и науки РБ "Разработка ресурсосберегающих экологически чистых технологий получения высокопрочных материалов и изделий из них, в тем числе с использованием промышленных отходов предприятий Республики Беларусь" (ГБ 92-21, 1993 г.) ; с программой НИР ВГПА. "Разработка прогрессивных технологических процессов получения литых сплавов для производства тонкостенных сяшивок путем совершенствования их конструкция! и применения процессов микро- и макроле-г^рования" (ГБ 86-13, 1990 г.).

Цель и задачи исследования. Повышение физико-механических и технологических свойств алюминиевых сплавов путем совершенствования процессов микролегирования и рафинирования, а также разработка литейней технологии при использовании высоких .скоростей охлаждения. В работе решен ряд г^мкладных задач по применению высококонцентрфованных быстроохлатаетых лигатур для легирование алюминия и его сплавов тугоплавкими металлами.

• Для достижения поставленной - дели' в работе решались следую-mie задачи:

- разработка технологических процессов повышения качества алюминиевых сплавов, при использовании мероприятий ратинирования и фильтрации расплавов; ■

- совершенствование процесса микролегирования и разработка новых модификаторов заэвтектических силуминов;

- установление целесообразности микролехиров ания поршневого. слажнолепфованного заэвтектического сплава КС-740 с целью повыиения его прочностных и теплофизических показателей;

т оценка закономерностей стругсгурообразования и свойств высоколегированных сплавов алюминия с переходными металлами;

- исследование особенностей формирования структуры алюминиевых сплавов при высоких скоростях охлаждения;

. - 3 -

- изучение характера изменения метастабильной структуры лигатур вблизи критических температур;

- разработка нового технологического процесса использования быстроохлавденных дисперсных лигатур в цветналитейном производстве.

Научная новизна полученных результатов. Предложен механизм модифицирующего действия активных добавок на формирование первичного кремния ь заэвтекптических силуминах, учитывающий как изменение внутренних (физических) свсйств кремния, связанное с появлением дополнительных электронов проводимости, так и изменение внешних условий роста кристаллов, определяемое химическим взаимодействием компонентов расплава в период кристаллизации.

Предложена технология легирования алюминиевых сплавов небольшими добавками переходных металлов в виде соответствующих солей (а.с 1154356 и а.с. 1343851). Разработана новая конструкция адсорбционно активного фильтрулцэго элемента, не приводящая к нарушению химического состава расплава -и позволяющая утилизировать отходы после фильтрации (а.с. 1766997).

Впервые разработан способ использования дисперсных быстро-охлажденных лигатур в технологии производства алюминиевых сплавов. В основу механизма воздействия быстроохлаяденных присадок на степень дисперсности различных фаз, образующихся при кристаллизации в легированных алюминиевых сплавах, заложено, явление металлургической наследственности литейных сплавов. Суть данного механизма состоит в тем, что расплав при перегревах сохраняет до относительно высоких температур микрообъемы, обогащенные легирующими элементами. Последние являются основой для дальнейшего образования крупных выделений некоторых фаз при кристаллизации. Высокая степень дисперсности аналогичных фаз в быстроохлаяденных лигатурах при их введении в расплав в мзяскритическом интервале температур ликвидус— ссшидус или при небольшом превышении температуры ликвидуса способствует созданию в расплаве дисперсных высокообогащенных микрообъемов летарукдего элемента, интенсифицирумщ-к зарождение центров кристаллизации данных фаз.

Показано, что при введении в расплав бкетроохлажденных лигатур еще в твердом их состоянии наблюдается- эффект рекристаллизации, заключающийся в коалесценции дисперсных выделений исследуемых фаз, что является отрицательным фактором.

Установлен сложный механизм струкгурсобразования щи пол-

нам растворении дисперсных лигатур, заключающийся в периодической зависимости размеров первичных интерметаллидов и кремния от врешни выдержки лриготашдтаемого расплава, что связано с из-менякщрааися условиями гетерогенной кристаллизации.

Выполненные исследования позволяют утверждать, что ' в реальных условиях кристаллизации допустима возможность не только гетерогенной зарождения центров кристаллизации при небольших переохлаждениях, но и гомогенного на основе переобогащенных, ми-кроо&ьемов расплава элементами, образующими данные фазы. Этот вывод подтвержден многократными переплавами быстроохлавденных лигатур с сохранением в структуре сплава дисперсных включений исследуеьых фаз.

Практическая значимость. Разработана перспективная технология внепечного совмещенного микролегирования и рафинирования заэвтектических силуминов суперфосфатом. Для указанного процесса обоснованы и отработаны конкретньв технологические режимы, необходимые для получения оптимального уровня свойств.

Предложены способы легирования алкьиниевых сплавов тугоплавкими металлами, не требукиие значительного перегрева расплава и позволявшие получать стабильные результате!.

Разработан новый .фильтр для рафинирования алкминиевых сплавов, имеыдай практическую значимость, поскольку конструкция и компоненты фильтра не приводят к нарушению химического состава сплава и позволяют использовать отработанный $ипьтруюиий элемент, остающейся в литниковой системе, для лоспедуицего переплава вместе- с возвратом^ Проведено опытно-промышленное опробование процесса .фильтрации на участке литья опытного производства ДКТБ БелВД при производстве вагонной фурнитуры из сплавов АК7 и АК9 применительно к кокильному литью. Ожидаемый экономический эффект на 1 т литья составил: для сплава АК7 - 328.5 тыс.руб., для сплава АК9 - 442.4 тыс. руб. в ценах 1995г.

Разработана литейная технология с использованием в шихте быстроохлавденных лигатур при их неполном растворении, позволяющая сочетать преимущества высокодисперснсй структуры быстроох-лажденных лигатур с достоинствами традиционных способов литья.

Показана возможность значительного повышения качества алюминиевых сплавов с применением в технологии плавки и литья дисперсных быстроохлажденных лигатур при их полном растворении в расплаве. Технология прошла промышленную апробацию и внедрена

на Лидском литейно-механичёсксм заводе на участке литья поршней из сплава АК12ШгН. Экономический эффект на 1 тонну литья составил - 445.1 тыс. руб. в ценах 1995 г. Разработаны и утвервдэ-ны технические требования на предлагаем® лигатуры.

Основные положения диссертации, выносимаз на защсту:

- в основу объяснения механизма действия активных примесей на форму кристаллических образований кремния полажен тот принцип, что последний обладает свойствами примесного полупроводника; взаимодействие атомов примеси с атомами кремния приводит к образованию смешанного типа связей; это вызывает значительные изменения физических свойств кристалла, что способствует изменению его фор-ы при кристаллизации;

- механические и некоторые специальные свойства, такие как жаропрочность и коррозионная стсйкость алкминиевых сплавов, могут быть значительно улучшены при введении в .их состав даже небольших количеств переходных металлов;

- содержание переходных металлов в алюминиевых сплавах выше их предельной растворимости приводит к появлению в структуре крупных, неравноосных интермэталлических соединений, что вызывает резкое снижение механических и технологических свойств;

- получение дисперсной гетерогенной структуры в высоколегированных сплавах алюминия с металлами переходной группы возможно с применением высоких скоростей охлаждения расплава;

- нахрев дисперсных быстроохлаяденных лигатур вызывает рекристаллизацию их структуры, приводят®® в конечном итоге к укрупнению первичных фаз; это подчеркивает, что укрупнение первичной структуры конечных сплавов при растворении в них указанных лигатур в первые 5-10 минут происходит не на этапе растворения металлической основы и структурных составляхпих лигатур, а на этапе коалесценции при их нагреве;

- применение в технологии плавки и литья быстроохяажденных лигатур способствует повышению эксплуатационных характеристик промышленных алюминиевых сплавов;

- литейная технология с использованием дисперсных Сыстро-охлачзденных лигатур при их неполном растворении в расплаве позволяет получать гетерогенные сплавы с высокодисперсной структурой, которую невозможно обеспечить другими методам! металлургической и внепечнсй обработки.

Личный вклад соискателя в совместных работах, результаты

. - б -

которых вошли в диссертацию, состоит в постановке задачи исследований, разработке методики экспериментов, обработке и анализе экспериментальных данных. Автору принадлежит инициатива и непосредственное участие в производственной апробации и внедрении результатрв экспериментов.

Апробация работы. Материалы, диссертационной работы доложены и обсуждены: на IV Всесоюзной научно-технической конференции "Новые конструкционные стали и сплавы и метода их обработки для повьшения надежности и долговечности изделий" (Запорожье, 1989), на научно-технической конференции "Прогрессивные технологические процессы и роботизация в литейном производстве (Гомель, 1984), на ежегодных научно-технических конференциях профессоров, преподавателей и аспирантов ВГПА. (Шнек, 1985-1995).

Публикации."' По материалам диссертации опубликовано 12 научных работ, из них 4 авторских свидетельства на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общгй характеристики работы, пяти глав, выводов, списка использованной литературы и приложения. Работа излажена на 85 страницах машинописного текста и содержит 13 таблиц, 71 рисунок, 196 наименований бийлиографиеских ссылок.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлены оценка современного состояния проблемы качества литейных алюминиевых сплавов, основание дця разработки теш диссертации и обоснование необходимости проведения работы.

В оСщвй характеристике работы показана актуальность темы диссертации, степень разработанности и связь работы с крупными научными программами. Сформулированы цель и задачи исследований, научная новизна, практическая и экономическая значимость полученных результатов. Приведены основныэ полоиения диссертации, выносимле на защиту. Показаны личный вклад соискателя в получение результатов, апробация и степень опублииованности результатов исследований, структура и объем диссертации.

Б первой главе проведен анализ имеющихся сведений по влиянию химического состава, внепечной обработки и технологии литья на качество литейных атмшиевых сплавов. Систематизированы результаты работ, посвящанных наиболее распространешпзМ й эффек-•твньм методам внепечной обработки, таким как ратинирование и

ыикролегирование, которые позволяют в широких пределах регулировать процессы структурообразования в отшивках, изменять неблагоприятную игольчатую или пластинчатую форму кристаллических образований на равноосную.

Показана ограниченность существующих промышленных сплавов в отношении повышения таких свойств, как жаропрочность, коррозионная стойкость, улучшения теплофизических показателей. Легирование алюминиевых сплавов элементами переходной группы оказывает положительное влияние на указанное свойства. Для этого сплав должен млеть высокодисперсную гетерогенную структуру. В этом отношении наиболее перспективным направлением является кристаллизация сплавов с высоким* скоростями охлаждения.

Приводится обзор специальных методов литья для получения структуры алюминиевых сплавов с дисперсными тугоплавкими включениям. Сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе представлена методика исследований, материалы, приборы и оборудование, использованные ' в работе. В качестве объектов исследований выбраны двойные сплавы алюминия с кремнием до 30%, двойные и тройные сплавы алюминия с переходными металлами до 25% (лигатуры) и до 8% (при получении рабочих сплавов) . Прочищенные конструкционные сплавы - АК7, АК9, АК12, АК5М2, АК5М4, АК12М2, поршневые сплавы КС-740 и АК12ШгН.

В качестве микралегируидах присадок использовались более двадцати различных элементов и химических соединений, которые вводились в расплав в количестве 0.05 - 5%. Для сравнительной оценки эффективности и объяснения механизма действия добавок использована методика, обеспечивающая требования максимальной чистоты исрследуемых объектов с целью исключения побочных эффектов, обусловленных взаимодействием вводимых добавок с неконтролируемыми примесями, присутствующими в технических материалах.

Введение тугоплавких элементов осуществлялось, в основном, с помощью лигатур, которые предварительно готовили в электрической индукционной высокочастотной печи ИСТ-ООб. Основу шихты составлял алюминий марки АЗ 9. Состав. лигатур определялся химическим и термоанализом. По результатам предварительных исследований выделены две основные систеьи сплавов: алюминий - кремний и алюминий - железо. В основном применительно к данным сплавам наряду с использованием традиционных методов легирования отрабатывалась технология введения тугоплавких компонентов путем

- 8 -

растворения дисперсных быстроохлажденных лигатур.

Для получения широкого интервала скоростей кристаллизации в пределах одной отливки использовалась клиновидная проба при заливке в латунный кокиль. Размеры прямоугольной гиорамиды сле-дувщие: основание 25x15 мм, высота 80 мм. Средняя скорость охлаждения сплава при этом составила: в массивной части - 50 °С/с, в средней 100 °С/с, в тонкой - 1000 °С/с.

При получении дисперсных быстроохлажденных лигатур использовались установки для гранулирования (скорость охлаждения 5003000 'С/с) и производства лент при кристаллизации на врапэицихся водоохлавдаеыых дисках (скорость охлаждения 1000-100000 °С/с). В качестве дисперсной лигатуры использовался порошковый алюминиевый сплай СйС-1-50, полученный на установке диспергирования в условиях ВАМИ (г. Санкт-Петербда?), скорость кристаллизации при производстве сплава достигала 1000 °С/с.

Анализ микроструктуры сплавов проводился с использованием микроскопов МЕТДМ-1Р, МУ-2Е, автоматического структурного анализатора "Ер1с[иагЛ" совместно с вычислительным комплексом 15ИПГ, лазерного микроспектроанализатора ЛМА.-10 и рентгено-спектрального микроанализатора типа ЛХА-5А.

Для термического анализа сплавов на кафедре "Металлургия литейных сплавов" спроектирована и изготовлена микропроцессорная система "Термозонд"с точностью измерения температуры ±0.1%.

Для оценки механических свойств использовалась стандартная методика в соответствии с ГОСТ 2685-75. Прочность и пластичность сплавов определялись на разрывной машине типа Р-5. При изучении кратковременной теплопрочности разрывная машина оборудовалась устройствам для нагрева образцов. Из технологических свойств исследовались: жидкотекучесть, содержание неметаллических включений, газосодержание. Коррозионная стойкость оценивалась весовым методом.

Третья глава посвящена изучению влияния химического состава и микролегирования заэвтектического силумина на некоторые .физические свойства кремния, распределение в нем основных компонентов сплава и примесей, и на основании этого сделана попытка уточнения механизма первичной кристаллизации при добавках фосфора и натрия. Проведена сравнительная оценка эффективности мо-дифищфуицего воздействия на структуру и свойства бинарных за-эвтектических силуминов ряда предположительно активных элемен-

тов. Как завершагаций этап оценки эффективности процесса микролегирования на свойства заэвтектических силуминов в конце главы рассматривается решение такой задачи применительно к слсжнсше-гированному поршневому сплаву КС-740.

При объяснении механизма действия примесей на форму кристаллических образований кремния исходили из того положения, что он обладает свойствами примесного полупроводника. Вещества данного класса кристаллизуется в неравнооснай форме, что является следствием анизотропии свойств их кристаллических решеток.

В основе предложенной теории лежит явление изменения физических свойств полупроводников при появлении в их составе незначительного количества донорных примесей. Это вызывает увеличение числа свободных электронов проводимости и, вероятно, способствует уменьшению анизотропии свойств полупроводника вдоль различных кристаллографических направлений. Что в конечном итоге приводит к появлению включений кремния, по форме близких к равноосной. При этом измельчение и равномерное распределение кристаллов кремния в зависимости от вводимой добавки определяется одним из двух факторэов: либо избирательной адсорбцией поверхностно-активных веществ на границе раздела возникающих фаз и блокированием центров кристаллизации, например, при микролегировании натрием; либо возникновением дополнительных центров кристаллизации, например, при микролегировании фосфорам.

При выбор« активных добавок дня микралегирования бинарных заэвтектических силуминов и сплава КС-740 исходили из требований их доступности и технологичности, с учетом возможности комплексного микролегирования и рафинирования. Наилучший эффект получен при обработке расплава фосфором в количестве 0.05-0.2%, серой до 0.1%, смесью серы и фосфора в количестве 0.2% и суперфосфатом до 5%, имекшим следуядцй химический состав: СаШгРСЩг +2CaS04. Обнаруженное положительное действие суперзфосфата на процесс первичного структурюобразования в силуминах объясняется влиянием серы и фосфора, входящих в.его состав. При использовании суперфосфата по сравнению с красным фосфором значительно снижается пироэффект и выЗросы металла, при этом возрастает на-детаость и стабильность прюцесса микрсхлегирования.

Температурно-временные исследования показали, что оптимальными параметрами при микролегировании серой является 800 X, при микролегировании фосфором и суперфосфатом - 900 °С, с вы-

- 10 -

деряг тй расплава после обработки в течение 10 - 15 минут.

Ищхшегчроваине приводят к повыиению механических свойств силуминов при комнатной и особенно при повышенных температурах испытаний в среднем на 10-15% и снижению коэффициента линейного расширения на 5-10%.

Четвертая глава посвящена исследованию возможности повыие-ши некоторых специальных свойств и механической прочности промышленных алюминиевых сплавов, в первую очередь вторичных силуминов, за счет рафинирования и введения небольших добавок переходных металлов в виде соответствуквдх солей с целью легирования твердого раствора, а также исследованию закономерностей структурообразования и--свойств сплавов алвсыиния с высоким содержанием металлов переходной группы.

Разработана технология легирования молибденом для повышения механических свойств и коррозионной стойкости вторичных силуминов, позволяющая использовать их взамен первичных сплавов. Молибден вводился в виде минерала молибденита (МЬБг) в смеси с порошком магния и углерода, служащие катализаторам процесса. В результате обработки 1-1.5% молибденита сплав АК9 по исследоге-ш показателям не уступает первичному сплаву АК9ч, что обусловлено дополнительны* легированием твердого раствора, измельчением структурных составляших, в частности железосодержащей фазы. Образующаяся в процессе элемзнтарная сера оказывает рафи-ниружщее действие на расплав.

Положительное влияние тугоплавких компонентов с комплекс-ньм р>афинированием отмечается при обработке жаропрочных сплавов. Технология предусматривает введение тугоплавких компонентов и серы в виде файншгейна - промежуточного продукта производства никеля, состоящего из сульфидов никеля и меди совместна с катализатором (порошок алкминия и магния). Сплав АК5М2, обработанный 1.0% файншгейна, имеет более высокий уровень механических свойств щи комнатной и повышнней температурах испытаний и жидкотекучести. По своим показателям он не уступает первичному жаропрочному сплаву АК5М.

Перспективны! направлением в практике литейного производства является фильтрация расплава. Разработана новая конструкция адсорбционно активного фильтрующего элемента, который изготавливается из алкыиниевай проволоки или стружки, на поверхность которой предварительно наносится оксидное покрытие. Форма

и место установки фильтра определяется технологическим процессам лить я. Способ не приводит к нарушению »омического состава расплава и позволяет утилизировать отхода после фильтрации.

Внинание исследователей привлекают сплавы алюминия с переходными металлами, в которых последние могли Сы стать основными легирукпими компонентами. Объясняется это высокими физико-механическими свойствами первичных интерматаллидов, что говори о потенциально высоких показателях конечных сплавов. Однако при обычных условиях литья первичныэ интерметаллиды имеют грубо-игольчатую форму, что резко снижает действителыие показатели физико-механических свойств, которые составляют только малую делю теоретической прочности материалов.

Известны два основных направления в измельчении структуры сплавов: микролегирование и создание условий для затвердевания металла с высокой скоростью. Изучено микролегирование первичных интерметаллидов элементами, которые, как ожидалось, могли бы оказать положительное влияние на структуру и свойства двейны; сплавов алюминия с переходными металлами. Установлено, что лил натрий, сера, теллур и селён приводят к незначительному измаль-чению двойных интерыеталлидов за счет избирательной адсорбции на возникающих центрах кристаллизации и увеличения переохлаждения расплава. При этом их форма остается остроугольной.

Интерес представляет введение в двейнье высоколегированное алюминиевые сплавы третьего компонента из группы тугоплавких металлов. Усложнение состава в этом случае приводит к некоторому уменьшению линейных размеров и более равномерному распределению первичных фаз. Особенно когда третьим компонентом выбирался элемент, который в двойном сплаве имеет компактны* первичные включения, например ниобий. Отмечено так же более эффек-тивое воздействие мшфолехирувацих добавок на первичную кристаллизацию усложненных интерметаллидов.

Таким образом, предпринятые попытки приблизить свойства сплавов алюминия с повыиенньм содержанием элементов переходной группы к аналогичным показателям промышленных силуминов посредством таких мероприятий, как ратинирование, взаимное легирование и микролегирование, в полной мере себя не оправдали.

В пятой главе анализируются законсглерности формирования структуры и свойств высоколегированных сплавов алюминия с переход? а-ми металлами при высоких екорюстях кристаллизации. Изучен

характер изменения метастабильнсй структуры быстроохлаждениых сплавов при нагреве, разработана технология использования быс-троохдажденных лигатур для получения гетерогенных сплавов.

Наиболее чувствительными к скорости охлаждения оказались сплавы алкминий - железо и алюминий - хром. Так, 15м увеличении скорости охлаждения сплавов алкыиния с 25% железа и 15% хрома в 1000 раз средний размер алкминидов уменьшается в 30-40 раз. При закалке из жидкого состояния, например, в сплаве алюминий -хром образуется метастабильная фаза А14СГ, которая в сплавах исследуемых составов 15м равновесной кристаллизации не образуется. Образование промежуточных фаз при этом подавляется. В сплаве алюминий - железо как при равновесной, так и при кристаллизации с высокой скоростью первично образуется фаза А13Ге.

В структуре сплавов с 2-8% хрома и 4% марганца при скорости охлаждения около 10000 °С/с отсутствуют первичные интерме-таллиды. Для сплава алшиния с 1% титана такой скоростью, при которой весь легирухнцй элемент фиксируется в твердом растворе, является уже 50 °С/с.

Сплавы, охлажденные с высокой скоростью (гранулы, порошки, ленты), кристаллизуются в неравновесных условиях, структурное состояние их метастабильно. При нагреве до температур предполагаемого растворения у таких сплавов развиваются процессы рекристаллизации. Рост первичных ¡дристаллов происходит за счет коа-лесцендои вторичных фаз, выделяющихся в результате распада а-твердого раствора, переходящих из метастабильного состояния в стабильное. При дальнейшем нагреве до 600-700 °С наблвдается ко-алесценция первичных интерметаллидов за счет их высокой диффузионной активности.

Шстроохлажденные дисперсные материалы наиболее широкое применение нашли в технологии обработки металлов давлением и порошковой металлургии. В литейном производстве указанные материалы могут использоваться в качестве высококсищентрированных лигатур, которые наряду с хорошей растворимостью позволяют- снижать-содержание в сплаве дорогостоящих легирукщих компонентов.

Предложено два принципиальных направления при использовании дисперсных лигатур: частичное и полное их растворение в легируемом расплаве. Процесс частичного растворе^ю заключается во введении лигатуры в интервале температур ликвидус - сол1шус для конечного сплава. В этом случае растворяется металлическая

основа лигатур, а мелкие первичные включения переходят в расплав с максимально возможные сохранением тугоплавких фаз, с учетом их коалесценнии в период нагревания. Для реализации процесса растворения при невысоких температурах с помощью подобранных флюсов (ЮТ4 и К231Е6) уменьшена адгезия оксида алюминия к поверхности легирующего материала и повылена смачиваемость оксида по отношению к легируемому сплаву.

В случае полного растворения дисперсньк лигатур предложено два варианта: переплав предварительно подготовленных материалов определенного химического состава и добавление в расплавленньй металл необходимого количества лигатуры для получения требуемого химического состава, механических и технологических свойств.

При растворении дисперсных лигатур установлена периодическая зависимость размеров первичных интерметаллидов и кремния от времени выдержки приготавливаемого расплава, что связано с изменяющимися условиями гетерогенной кристаллизации.

Разработанная технология прошла промышленную апрюбацию при легировании кремнием и никелем поршневого сплава АК12ММгН. Легирование дисперсными лигатурами (гранулы, ленты) дало возможность снизить температуру расплава до 720-750 °С, что позволило на 15-20% снизить в нем содержание газов. За счет повьшения дисперсности и более равномерного распределения интерлеталли-ческих фаз возросли механические свойства сплава при комнатной и высоких температурах испытаний. Переход при легировании на дисперсную лигатуру позволяет без ущерба для его эксплуатационных характеристик вводить никель по нижнему пределу - до 0.8%.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Установлено, что микролегирование положительно сказывается на механических свойствах заэвтектических силуминов при комнатных и повышенных температурах испытаний. Предложен новый модификатор - суперфосфат, применение которого позволяет проводить процесс совмещенного ыикролешрования и рафширования расплава. Микролегирование поршневого сплава КС-740 приводит к повышению его пластичности и снижению коэффициента линейного расширения в среднем соответственно на 10-15% и 5-10%.

2. Легирование вторичных силуминов небольшими добавками металлов переходной группы способствует поЕьшению механических свойств, которые не уступают аналогичным показателям первичных

сплавов, а также коррозионной стойкости и жаропрочности. Это обусловлено замещением атомов алкминия в твердом растворе атомами переходных металлов. В результате создается микрогетерогенность внутри зерен твердого раствора, приводящая к уменьшению самодиффузии алкминия за счет блокировки границ зерен, что приводит к росту прочности металлической основы и устойчивости при повышенных температурах.

3. Показано, что сплавы алюминия с высоким содержанием переходных металлов, за исключением сплавов с ниобием и ванадием, в процессе первичной кристаллизации образует неравноосные включения интерметаллических фаз, что является следствием анизотропии свойств их кристаллических решеток.

4. Введение в двойные сплавы третьего элемента из группы тугоплавких металлов приводит к некотсрому уменьшению линейных размеров и более равномерному распределению интерметаллических фаз. Некоторое благоприятное влияние микрюлегирхэвания на размеры и распределение в сплаве двойных и усложненных интермэталли-дов связано, вероятно, с избирательней адсорбцией активных добавок на возникающих центрах кристаллизации и растущих 1фистал-лах. При этом форма интерметаллидов остается остроугольной.

5. Повькгение интенсивности теплоотвода при кристаллизации сплавов алкминия с перэеходньми металлами и кремнием пдаводит к измельчению первичных фаз. Увеличение скорости кристаллизации на порядок способствует уменьшению их линейных размеров в 2-3 раза. При этом не меняется форма включений и не происходит значительного повьшения однородности расплава. Высокая скорость кристаллизации в литейной технологии может эффективно использоваться для получения высококонцентрированных лигатур.

6. При изотермической выдержке дисперсных лигатур происходит процесс рекристаллизации структуры. Рост первичных кристаллов осуществляется за счет коалесценции вторичных фаз, выделяющихся в результате распада а-твердого раствора, переходящих из метастабильного состояния в стабильное, и последунщей коалесценции укрупненных кристаллов вследствие их высокой диффузионной акт/шности. Это подчеркивает, что'укрупнение первичной структуры конечных сплавов при растворении в них Сыстроохлажденныз? лигатур в первые 5-10 минут происходит не на этапе растворения металлической основы и .структурных составляпиих лигатур, а. на этапе коалесцениии при их нагреве.

- 15 -

7. Введение еыстроохлажденных лигатур совместно с флюсом при температуре, отвечающей интервалу лшсвидус - сопидус дач конечного сплава или незначительно превыхшцей температуру со-лидус вводимой лигатуры, позволяет получать традационмали ыето-дами литья сплавы, характеризующиеся первичней структурой, мало отличашцейоя от структуры Сыстроохлагденных сплавов. Предлагаемая технология наиболее предпочтительна для сплавов, не иыеюиих эффективных модификаторов первичных алкыинидов.

3. В результате проведенных экспериментов установлен сложный механизм при полном растворении дисперсных лигатур в расплаве, заключающийся в периодической зависимости размеров первичных кнтерметаллидов и кремния от времени вьщерсети приготавливаемого расплава, что связано с изменявшимися условиями гете-рог'еинсй кристаллизации.

9. Использование в качестве шихты СыстрюохлажденныХ дисперсных материалов позволяет получать сплавы с высокими показателями механических свойств без допо)2нлтаяьной анепс-чнай обработки расплава. Для получения заданных свойств при переходе на дисперсную лигатуру требуется значительно меньшее количество дорогостоящих легирукдах элементов. Переплавление рабочих сплавов, полученных по приведенной технологии, до четьрех раз, приводит к незначительному укрупнению микроструктуры, что обусловлено металлургической наследственностью. Это позволяет использовать возврат литья без нарушения предлагаемой технологии.

Основное содержание диссертант опубликовано в следукпдах работах:

1. Винокуров В.К., Стриженов М.И., Долгий Л.П., Бубнов Б. П. Методика определения заполняемости металлических форм // Сб. Металлургия,- Минск: Йиазйшая школа, 1986. Вып. 20.- С. 46-47.

2. A.c. 1343851 СССР, МКИ С 22 С 1/06. Способ модифицирования вторичных силуминов / А.М.Галушко, Б.М.Немененок, Г.Б. Довнар, Л.П.Долгий.(СССР).- № 3998691; Заявлено 30.31.85.

3. Немененок Б.М., Долгий Л.П., Маркаров Ю.В., Бубнов Б.П. Влияние химического состава и микролегирозамш на свойства сплава АЛ4 // Сб. Металлургия, - Шнек: Еыпзйшая школа, 1985. Вып. 19,- С. 41-43.

4. Стриженков М.И., Долгий Л.П., Чон Чен Нам, Агеенко М.И. Модифиилруюцее действие серы в алюминиевых сплавах // Сб. Ме-

таллургия.- Минск: Вьшэйшая школа, 1987. Вып. 21.- С. 56-57.

5. A.c. 1223652 СССР, МКИ С 22 С 1/06. Литейный сплав на основе алкминия / Б.М.Немененок, Г.В.Довнар, JI.П.Долгий и др. .(СССР).- № 370839; Заявлено 7.03.84.

6. Особенности процесса заполнения тонких горизонтальных полостей литейных форм /В.К.Винокуров, JI.П.Долгий, М.И.Стрижен-ков, Г.А.Арянова // Научно-техническая конференция "Црогрессив-ные технологические процессы и роботизация в литейном производстве": Тез. докл.- Гомель, 1984.- С. 69-70.

7. A.c. 1154356 СССР, МКИ С 22 С 1/06. Способ модифицирования жаропрочных алкминиевых сплавов / Б.М.Немененок, Г.В.Дов--нар, Л.И.Долгий и др. (СССР). - »3696644; Заявлено 27.01.84; Опубл. 7.05.85, Бкш. № 17.- 3 с.

8. A.c. 1766997 СССР, МКИ С 22 В 21/06. Способ рафинирования алкминия и его сплавов / М.И.Стриженков, Б.М. Немененсж, Л.П.Долгий и др. (СССР).-№ 4877534; Заявлено 23.07.90; Опубл. 7.10.92, Еюл. № 37.- 4с.

9. Разработка прогрессивных технологических процессов получения литых сплавов для производства тонкостенных отливок путем совершенствования их конструкции и применения процессов микро- и макролегирования: Отчет о НИР (закл.)/ Белорусская Государственная политехническая академия (ЕГПА); Руководитель работы Д.Н.Худокормов; № ГР 01.86.0055704,- Шнек, 1990.- 72 с. •

10. Долгий Л.П., Довнар Г.В. Применение порошкового сплава СЙС-1-50 для получения литейных заэвтектических силуминов // IV Всесоюзная научно-техническая конференция"Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий": Тез. докл.-Запорожье, 1989.-С. 228-229.

11. Долгий Л.П., Довнар Г.В., Гопиенко В.Г.Применение быс-троохлажденных лигатур для получения гетерогенных алюминиевых сплавов // Сб. Металлургия. - Минск: Вышзйшая школа, 1990, Вып. 24.- С. 37-38.

12. Разработка ресурсосберегающих экологически чистых технологий получения высококачественных материалов и изделий из них, в том числе с использованием промышленных отходов предприятий Республики Беларусь: Отчет о НИР (заключ.) /Белорусская Государственная политехническая академия (ЕГПА); Руководитель работы Д.Н.Худокормов; № ГР 1994 325.- Минск, 1993.- 105 с.

- 17 -

ррЗКМЕ

Долгий Леонид Петрович. "Совершенствование и' создание новых методов обработки расплава с использованием высокой скорости кристаллизации для повыпения эксплуатационных характеристик литейных алюминиевых сплавов".

Ключевые слова: микролегирование, рафинирование, скорость охлаждения, структура, переходник металлы, лигатуры, быстроох-лавденные сплавы, металлургическая наследственность.

Показана возможность повыления свойств превышенных силуминов при рациональном выборе методов и режимов внепечной обработки. Предложены способы легирования вторичных силуминов небольшими добавками переходных металлов с целью повышения их жаропрочности и коррозионной стойкости. Показаны особенности формирования структуры и свойств высоколегированных сплавов алши-ния с переходными металлами. Установлены основные закономерности при кристаллизации сплавов с высокими и сверхвысокими скоростями охлаждения: расширение пределов твердых растворов, из-_ мельчение всех структурных составлякиих, образование метаста-бильных промежуточных фаз. При нагреве быстроохлажденных сплавов до температур предполагаемого растворения наблюдается эффект рекристаллизации их структуры, заклшчаюиийся в коалесцен-ции дисперсных выделений исследуемых фаз. Разработана технология использования диспер>сных быстроохлажденных лигатур (гранулы, ленты, порошки) при их полисы и частичном растворении в легируемом расплаве. Это способствует повышению эксплуатационных свойств сплавов и позволяет уменьшить содержание дорогостоящ.« легирунллх элементов. Технология наиболее предпочтительна для сплавов, не имевших эффективных модификаторов. Показан сложный механизм огруктурообразования при полном растворении, заключавшийся в периодической зависимости размеров первичных интерме-таллидов и кремния от времени выдержки приготавливаемого расплава, что связано с изменяющимися условиями гетерогенной кристаллизации. Результаты исследований прошли промышленную апробацию и представляют научный и практический интерес.

РЭ5КМЕ

Доуг1 Леашд Пятров1ч. "Удасканаленне 1 стварзэнне новых метадау апрацоуш. расплава з выкарыстаннем высокай скорасщ. кры1ггал1зацьп- для тавьшэння эксплуатацьйных характарыстык лл,-

цейных апкмЬи.евых сплавау".

Кшочавыя словы: м1кралег1раванне, рафццраванне, скорасць крл7гаш.эащзП., структура, переходный металы, лггатуры, Сыстра-ахалодааныя сплавы, металург1чная наследнасць.

Наказана магчымасць павыпэння уласшлзасцей праьисловых ci-луьинау при рапыянальньы выбари метадау 1 рэжымау пазапячнсй апрацоуга.. Прапанаваны сгюсабы леиравання другасных с!луьшшу невял1к1м1 дабаукаш. пераходных маталау з ыэтай павыпэння ix Х'арачатрываласш. i каразгйнай устошы.васц1. Паказаны асабл1вас-1п фаршравання структуры i улэсц!васцей высокалег1раваных сплавау ашсм!н1я з переходный. металам!. Вызначавы асноуныя за-канамернасш. пры крылтал1задьп. сгшавау з высокшх i звыавысою.-Mi скарасцяш. ахаладаэння: пашырэнне гран±ц цвёрдых растворау, драбленне ycix структурных складальн!кау, утварэнне метаста-бзльных прамежкавых фаз. Пры нахрзве Сыстраахалодагшых сплавау да тзмператур меркаваната растварэння наз1раецца эфект рзкрыц-тал1зацьп. ix структуры, ям. заключаецца у каагул1раванш. дисперсных вьизяленнчу даследуемлх фаз. Распрацавана тэхналог1я выкарыстання . дисперсных быстраахалодкшых л1гатур (гранулы, стужи., napaiuKi) пры ix поуньм-i частковьм растварэнш. у лег1-руемл! расплаве. Гэта садзейн1чае павыпянню эксплуатацыйных уласшвасцей сплава^ i дазваляе паменшыць утрьманне aaparix ле-гтравальных алементау. Тэхналог1я найбольш спрыяльна для сплавау, якая не машь эфекгыуных мада$1катарау. Паказан складаны механизм структураутварэння пры поуным. растварэнн1, md заключаецца у перыедычнай залежнасц! размерау першасных :1нтэрметал.1-дау i крэмная ад часу вытрыыкА падрыхтоуваемага расплава, што звязана са зменай умоу гетэрзагеннай крьшгатйзацьп. Выьша. дас-ледаванняу прайшн. праьысловую апрабапыю i уяуляюць навуковы i пракдычны штарэс.

SUMVRRY

Dolgy Leonid Petrovich. "Iiroroving and creating of the new-methods of meltings processing with, high crystallisation speed in order to enhance exploitation properties of cast aluminium alloys".

Key words are microalloying, refinement, crystallisation speed, structure, cross-metals, master alloys, fastcooled alloys, metallurgical heredity.

- 19 -

The possibility of enhancement of industrial Al-Si alloys properties in case of rational outfuinace processing methods and modes picking is displayed. The new ways of the secondary Al-Si alloys alloying with the little amounts of crosa-metalls in order to enhance heat and corrosion resistance are suggested. The peculiarities of highalloyed alloys of aluminium with cross-metals structure and properties forming are displayed. The main conformities of crystallisation of alloys with high and superhigh cooling speeds were determined: the expansion of the limits of solid solutions, structure crushing, unstable intermediate phase formation. The effect of recrystallisation of the highcooled alloy3 structure during it's heatiny up to the presumed dissolving temperatures is observed. The sence of this effect is in coalescence of dispersious formations of exploring phases. The technology of vising of dispersious fastcoo-led master alloys (grains, ribbons, powders) with their full or partical dissolution in the melt was developed. It assists the enhantment of exploitation' properties of alloys and decreases the quantity of expansive alloying elements. Thia technology is preferable for the alloys, which do not have effective modifi-cators. The ccnplicated mechanism of structure bid 1 ding during the full dissolution is shown. It consists in periodical dependence of the sizes of the primary intermetalide3 and Si fraa the exposure time of the melt, which connected with changing conditions of heterogeneous crystallisation. Hie results of this exploration have been used and have scientific and practical significance.

ДОЛГИЙ Леонид Петрович

СОВЕШЕНСТВОВАНКЕ И СОЗДАНИЕ НОВЫХ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ РАСПЛАВА. С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ШСОКОЙ СКОРОСТИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ . ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛИТЕЙНЫХ АЛКМИНИЕШХ СПЛАВОВ

05.16.04 - Лгггейное производство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

__Корректор И.Ф.Антаневич__^__

Подписано в печать 31.07.96.

I

Формат 60x84 1/16. Бумага тип. № 2. Офсет.печать: Усл.печ.л. 1,2. Уч.-изд.л. 1,0. Тир.100. Зак.509.

Издатель и полиграфическое исполнение: Белорусская .государственная политехническая академия. Лицензия ЛВ № 1049. 220027, №«ск, пр. Ф.Сксрины, 65.