автореферат диссертации по металлургии, 05.16.03, диссертация на тему:Совершенствование технологии плавки и литья алюминиевых сплавов на основе исследования их строения и свойств в жидком состоянии

ЗАПОРОЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ИНЖЕНЕРНАЯ АКАДЕМИЯ

УД К 669.71.5-154:621.746+621.745.5:620.18

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЛАВКИ И ЛИТЬЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИХ СТРОЕНИЯ И СВОЙСТВ В ЖИДКОМ СОСТОЯНИИ

05.16.03 - Металлургия цветных и редких металлов

Автореферат Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Погорелов Александр Иванович

Запорожье - 1998 г.

Диссертацией является рукопись

Работа выполнена в Донецком государственном институте цветных металлов

Научный руководитель: д.х.н., профессор НОВОХАТСКИЙ ИГОРЬ АЛЕК-

Официальные оппоненты: д.т.н., профессор ЧЕРНЕГА ДМИТРИЙ ФЕДОРОВИЧ,

Ведущая организация: Государственная металлургическая академия

Украины, кафедра "Металловедение", Министерство образования Украины, г.Днепропетровск

Заддата состоится " 12 " марта 1998 года в " 13 " часов на заседании специализированного ученого совета Д 08.03.01 при Запорожской государственной инженерной академии по адресу: ;330600, г. Запорожье, пр. Ленина, 226, ауд. 417.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ЗГИА

САНДРОВИЧ, заведующий кафедрой "Теоретические основы химии". Одесский государственный политехнический университет.

заведующий кафедрой "Физико-химические основы технологии металлов". Национальный технический университет Украины - (КПИ);

к.т.н., с.н.с. БЕЛОВ БОРИС ФЕДОРОВИЧ, старший научный сотрудник отдела ^"Материаловедения стали и сплавов". Институт проблем метериаловедения HAH Украины.

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук,

профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время является общепризнанным наличие взаимосвязи жидкого и твердого металлических состояний. Вследствие этого, одним из эффективных путей повышения качества литого металла является целенаправленное формирование структуры жидких металлов путем их нагрева до оптимальных температур. Однако, широкое освоение и использование потенциальных возможностей этого способа сдерживается противоречивостью накопленных экспериментальных данных исследований структуры и свойств расплавов, теоретических и модельных представлений о строении металлических жидкостей, а также о степени передачи генетических признаков от расплава к литому металлу. Систематические разработки этих вопросов несомненно имеют важное научное и прикладное значение.

Цель и задачи работы. Цель работы - разработка эффективных способов повышения качества алюминиевых сплавов на основе исследования их строения и свойств в жидком состоянии.

В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:

1. Выбор оптимальных условий эксперимента при изучении структурно- чувствительных физико-химических свойств алюминиевых расплавов в широкой области температур.

2. Изучение особенностей проявлений термически стимулированных структурных превращений в жидких алюминии и сплавах на его основе.

3. Исследование природы и механизма структурных превращений в металлических расплавах.

4. Разработка научных принципов и технологических приемов повышения качества алюминиевых сплавов с использованием результатов физико-химических исследований расплавов.

Научная новизна. Сформулированы требования и оптимизированы условия для достоверного выявления "тонких" аномальных эффектов при изучении температурных зависимостей структурно-чувствительных свойств металлических жидкостей. Усовершенствованы методики измерений физико-химических свойств и исследований структуры расплавов и проведена оценка их метрологических возможностей.

Получены подробные экспериментальные данные по политермам ки-

нематтаской вязкости и плотности жидкого алюминия, а также расплавов на его основе (включая технические алюминиевые сплавы) в областях значительных их перегревов. Подтверждено существование ряда термических структурных превращений в жидком алюминии в широкой области температур. Уточнены значения отвечающих им температур. Впервые получены сведения о числе и температурах структурных превращений в расплавах модельных и технических алюминиевых сплавов в области от температуры ликвидуса до 1343 К. Показано, что термически стимулированные структурные превращения в металлических расплавах проявляются при определенных температурах на температурных зависимостях их свойств в виде аномальных скачкообразных изменений абсолютных величин физико-химических характеристик. Заключено, что аномальные изменения свойств и их температурных зависимостей обусловлены скачкообразными структурными изменениями в жидкости при соответствующих температурах.

Совместный анализ собственных и литературных данных позволил заключить, что указанные структурные изменения в жидком алюминии осуществляются путем скачкообразного изменения одного из параметров решетки кластеров при сохранении типа упаковки атомов в них. Обусловленные спецификой структурной микронеоднородности жидких металлов структурные переходы такого рода являются одной из разновидностей полиморфизма и относятся к политипическим. Установлено, что структурные превращения в расплавах модельных и технических сплавов протекают по такому же механизму, а температуры наблюдаемых аномалий зависят от содержания легирующих добавок в них.

Практическая значимость работы. Разработаны и апробированы основные технологические приемы термической обработки металлических расплавов на основе использования данных о структурных превращениях в них. Показаны возможности и определены резервы улучшения качества готового металла с помощью обработки его в жидком состоянии. Показано, что термообработка жидких технических алюминиевых сплавов позволяет измельчить структуру, повысить на 20-302 прочность и в 1,5-2 раза пластичность готового металла. Для ряда металлов и технических сплавов конкретные варианты термообработки их расплавов защищены двумя авторскими свидетельствами на изобретения.

Полученные сведения по физико-химическим характеристикам расплавов, данные по структуре, физико-механическим и другим свойствам алюминиевых сплавов оформлены в виде паспортов на вторичные силумины, выпускаемые в чушках. Представленные результаты

о

нашли применение при совершенствовании стандартов на литейные алюминиевые сплавы и при унификации марок сплавов, выплавляемых из лома и отходов.

Одна из практических разработок исследования внедрена с экономическим эффектом в сумме 77,4 тыс.руб. в (ценах 1990 г.). По данным ВНЖПИ способ термоциклирования металлических жидкостей внедрен на предприятиях Минавиапрома.

На защиту выкосятся:

1. Решения методических вопросов, обеспечивающих надежное выявление термических структурных превращений в металлических жидкостях при исследованиях температурных зависимостей их физико-химических свойств и структурных характеристик.

2. Результаты экспериментального изучения температурных зависимостей кинематической вязкости и плотности жидкого алюминия, а также рентгенографические данные исследования расплава алюминия.

3. Данные по исследованию кинематической вязкости и энергии активации вязкого течения модельных и технических расплавов на основе алюминия в широком диапазоне температур, результаты определения температур структурных превращений в них.

4. Результаты экспериментального изучения и трактовка природы и механизма структурных превращений в жидких алюминии и сплавах на его основе.

5. Научные принципы термического структурного модифицирования металлических расплавов и экспериментальные результаты оценки эффективности технологических способов повышения качества технических алюминиевых сплавов путем структурного модифицирования их в жидком состоянии.

Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены на: Всесоюзных конференциях по строению и свойствам металлических и шлаковых расплавов (г. Свердловск, 1978, 1980, 1983, 1986 гг.), Всесоюзном семинаре "Прогрессивная технология повышения качества отливок" (г. Киев, 1978 г.), Всесоюзных конференциях "Закономерности формирования структуры сплавов эвтектического типа" (г. Днепропетровск, 1982, 1986, 1997 г.), Всесоюзном семинаре "Микронеоднородность и межчастичные эффекты в металлических расплавах" (г. Одесса, 1981 г.), Республиканской научно-технической конференции "Высокоэффективные локальные методы обработки металлов давлением" (г. Краматорск, 1984 г.), Всесоюзном семинаре "Применение результатов физико-химических исследований металлических и шлаковых расплавов для разработки металлургических технологий" (г. Че-

лябинск, 1985 г.), Научно-техническом семинаре "Наследственность в литых сплавах" (г. Куйбышев, 1987 г. и 1993 г.).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 15 статей и сообщений, получено 2 авторских свидетельства на изобретения.

Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, 4 разделов, выводов по каждому разделу, основных результатов и выводов по диссертации и приложений. Диссертация изложена на 15? стр. машинописного текста, включающего 8 таблиц, 21 рисунок и приложения. В списке литературы приведено 205 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, сформулированы цели и задачи работы, отмечена научная новизна и практическая ценность полученных результатов. Представлены сведения об апробации и объеме диссертации.

В первой разделе дан обзор сложившихся представлений о строении металлических жидкостей. Систематизация и анализ литературных источников, посвященных исследованию строения и свойств жидкостей показали, что до сих пор нет единой точки зрения на природу жидкого состояния. Большинство предложенных моделей строения жидкости несовершенны и имеют ограниченное применение. Дифракционные исследования, термодинамические и физико-химические данные о свойствах металлов указывают на близость их строения в жидком и твердом состояниях, особенно при незначительных перегревах расплавов над температурой плавления или ликвидуса. Получение достоверной экспериментальной информации о структуре и физико-химических характеристиках металлических расплавов требует учета различных факторов, влияющих на результаты измерений: содержания примесей, градиента температуры, продолжительности проведения опытов, взаимодействия металла с керамикой и т.д.

Массив опытных данных по структурным превращениям в жидких металлах противоречив, а характер их проявлений неоднотипен. Природа и механизм протекания этих превращений еще до конца не выяснены. Вопрос остается дискуссионным и требует дальнейших исследований. Экспериментальный и теоретический материал о структурных превращениях в жидких металлах и сплавах и генетической связи жид-

кого и твердого металлических состояний свидетельствуют о возможности управления структурой металлических расплавов. Научно обоснованный выбор степеней перегрева металлических расплавов перед кристаллизацией позволяет в значительной степени влиять на качество металла в твердом состоянии, его механические и служебные свойства.

В соответствии с вышеизложенным сформулирована цель настоящей работы - разработка эффективных способов повышения качества алюминиевых сплавов на основе исследования их строения и свойств в жидком состоянии.

На основании анализа литературных данных и в соответствии с поставленной целью сформулированы следующие задачи исследования:

1. Выбор оптимальных условий эксперимента при изучении структурно-чувствительных физико-химических свойств алюминиевых расплавов в широкой области температур.

2. Изучение особенностей проявлений термически стимулированных структурных превращений в жидких алюминии и сплавах на его ос-

■ нове.

3. Исследование природы и механизма структурных превращений в металлических расплавах.

4. Разработка научных принципов и технологических приемов повышения качества алюминиевых сплавов с использованием результатов физико-химических исследований расплавов.

Во втором разделе показано, что в качестве свойств металлических расплавов, отражающих структурные изменения в них, целесообразно использовать вязкость и плотность, как характеристики жидкой фазы, наиболее чувствительные к структурным перестройкам. Определены и обеспечены оптимальные условия проведения исследований температурных зависимостей вязкости и плотности металлических расплавов в широкой области температур. Установлено, что изучение свойств и структуры расплавов алюминия и его сплавов следует проводить в атмосфере очищенного гелия.

Усовершенствованы конструкции вискозиметра для измерения кинематической вязкости слабовязких жидкостей и установки для измерения плотности расплавов методом "лежащей капли".

Сделан вывод, что использование физико-химических методов (вискозиметрии, денсиметрш и т.д.) для изучения "тонких"эффектов в металлических расплавах целесообразно в комплексе с дифракционными методами исследований.

Обоснованы и апробированы основные принципы оперативного метрологического контроля точности измерений физико-химических свойств расплавов с использованием современных методов прикладной статистики. Оценены величины погрешностей измерений значений вязкости и плотности расплавов по примененным методикам. Погрешность определения температурных изменений кинематической вязкости составляет = 1.7%. погрешность определения температурных изменений плотности - Деъ(с1) е-1,0%.

Третий раздел посвящен изучению проявлений и механизма термических структурных превращений в жидком алюминии и расплавах на его основе.

На рис.1 представлены данные измерений кинематической вязкости жидкого алюминия марки А999 в тигле из А12О3 в режиме охлаждения в широкой области температур в координатах ^у = И1/Т). Анализ результатов показывает, что политерма вязкости жидкого алюминия триады претерпевает скачкообразные изменения при температурах 983 К, 1133 К и 1223 К. Политерма вязкости жидкого алюминия не является непрерывной и не описывается единой экспоненциальной функцией в исследованном интервале температур и может быть представлена последовательным рядом экспоненциальных функций. Значения пре-дэкспоненциального множителя Ау и энергии активации вязкого течения Еу, полученные при обработке опытных данных, приведены в табл.1.

Рис.1. Политерма вязкости жидкого алюминия

Таблица 1

Значения параметров Ау и Еу для жидкого алюминия (А999)

Интервалы температур, К АуЮ7, м2/с Е\>, кДж/МОЛЬ

953-993 0,22 24,9

993-1133 0,98 13,4

1133-1223 2,03 6,8

1223-1353 3,09 2,3

Исходя из полученных экспериментальных данных (рис.1 и табл.1), можно сделать вывод, что в указанном температурном интервале в А1* реализуется три структурных превращения.

С целью получения более детальной информации о скачкообразных структурных превращениях в А1ж было проведено исследование температурной (945-1073 К) зависимости его плотности методом "лежащей капли". Расчет плотности жидкого металла производили по методике Д.В.Хантадзе. Установлено с доверительной вероятностью а = 0,999, что на политерме плотности жидкого алюминия в интервале ТПд -1073К наблюдаются скачкообразный разрыв функции б = ИТ) при температуре 985 К (±10 К).

Для получения дополнительных сведений о механизме рассматриваемого эффекта проведено также рентгеноструктурное исследование А1Ж в окрестностях температуры первого структурного превращения в нем. С этой целью использована экспериментальная установка, созданная на основе рентгеновского дифрактометра типа ДРОН-2, представляющая собой 8-9 дифрактомегр. Из экспериментальных данных следует, что интенсивности первого и второго дифракционных максимумов кривых рассеяния рентгеновских лучей (при X = 1,54 X) скачкообразно возрастают после структурного превращения в А1Ж. Также скачкообразно изменяется и угловое положение второго дифракционного максимума. В пределах разрешающей способности примененной методики подобного изменения в угловом положении первого дифракционного максимума выявить не удалось. Анализ рентгенограммы показал, что первое структурное превращение в жидком алюминии не изменяет общ-щего типа ближнего порядка в расплаве (типа ГЦК), а сопровождается только скачкообразным изменением всех количественных структурных характеристик жидкости (среднего межатомного расстояния, координа-

ционного числа и др.). Кроме того, структурное превращение в расплаве алюминия происходит со скачкообразным ростом его упорядоченности.

Вискозиметрическим методом нами изучено также влияние содержания кремния в жидком алюминии на температуру первого структурного превращения (Тс.п.)- Исследования проводились в тиглях из ВеО в интервале температур Тл - 1073 К. У выбранных составов сплавов (от 7,6% до 18,4£ Б1) величина Тс.п. монотонно увеличивается с повышением концентрации кремния (табл.2) с 953 К (для сплава А1-7,6%51) до 998 К (для сплава А1-18,4% Б!).

Подобные структурные превращения сохраняются также и в технических расплавах на основе алюминия (рис.2 и табл.2). Как и в алюминии, структурные превращения в них проявляются в скачкообразном изменении величин структурно-чувствительных свойств, количественных характеристик их температурных зависимостей, а также расчетных параметров, фиксируемых экспериментально в процессе измерения свойств расплавов (например,периода и декремента крутильных колебаний тигля с расплавом). Данные исследований по определению температур структурных превращений в расплавах на основе алюминия приведены в табл.2. Из анализа экспериментальных данных следует, что в жидком алюминии в исследованном диапазоне температур (953-1353 К) наблюдается три структурных превращения (табл.2,

<лГ

5,0 №

3,0

Рис.2. Температурные зависимости кинематической вязкости жидких алюминиевых сплавов: о - сплав марки АК5М7; • - сплав марки АК5М2.

N

N0 N

V. •

823 В1Ъ 1023 112,3 ¿223 Т,Н

рис.1), а положение обнаруживаемых аномалий свойств модельных и технических расплавов на основе алюминия зависит от вида и количества легирующего компонента.

Таблица 2

Опытные значения температур структурных превращений в жидком алюминии и расплавах на его основе

Расплавы Температурный интервал Т, К Метод обнаружения Тс. п. Материал тигля или подложки Число превращений Рабо чий газ Значения температур структурных превращений Тс.п.» К

А1 953-1353 V А120З 3 Не 983;1133;1223

А1 943-1223 с1 графит 3 Не 983

А1+ 7,6231 893-1073 V ВеО 1 Не 953

А1+11,2%31 868-1073 У ВеО 1 Не 958

А1+14,Ш1 883-1073 V ВеО 1 Не 963

А1+15,3%31 903-1073 V ВеО 1 Не 968

А1+16,5%31 903-1073 V ВеО 1 Не 968

А1+18,4%Б1 943-1073 V ВеО 1 Не 998

А1+21,57.51 993-1343 V А120З 4 Не 1068;1188;1243;128С

А1+21,5%51 993-1343 V ВеО 4 Не 1048;1148;1248;128С

АК7 853-1243 V ВеО 2 Не 1013;1093

АК4М4 923-1223 V ВеО 3 Не 973;1138;1188

АК5М2 853-1243 V ВеО 2 Не 1003;1123

АК5М7 853-1243 V ВеО 2 Не 993;1153

АЛЗО 850-1070 V ВеО 2 Не 1010

Предложен механизм термических структурных превращений в них. Совместный анализ полученных в работе результатов и литературных данных показывает, что термические превращения в жидких металлах наблюдаются только в области температур их структурной микронеоднородности и отсутствуют в области существования структурно однородных расплавов. Таким образом, структурные превращения в жидких металлах оказываются принципиально связанными с существованием в них кластеров - микрообластей с упорядоченной кристаллоподобной структурой. На основе проведенных в работе рентгенографических исследований, а также литературных данных установлено, что структурные превращения, протекающие в жидком алюминии (в области Т > Тпл). осуществляются путем скачкообразного изме-

нения одного з параметров решетки кластеров. При этом в жидкости также скачкообразно могут изменяться и структурные характеристики межкластерной разупорядоченной зоны. По механизму перестройки упаковки частиц указанные превращения могут быть отнесены к политипическим. С повышением температуры может наблюдаться ряд политипических превращений. Применительно к жидкому алюминию тип упаковки атомов в кластерах в рамках квазиполикристаллической модели строения расплавов принято классифицировать как ГЦТ. Степень тетрагональное™ решетки кластеров (отношение с/а) скачкообразно возрастает при каждом очередном политипическом превращении в них при повышении температуры. При понижении температуры такие изменения величины с/а осуществляются в обратном направлении. При скачкообразных политипических изменениях в решетке кластеров происходят также соответствующие скачкообразные изменения структурных характеристик разупорядоченной зоны, например, среднего межатомного расстояния, координационного числа и т.п. (см. рис.3). При скачкообазных структурных перестройках в кластерах и разупорядоченной зоне их парциальные свойства также скачкообразно изменяются. Как следствие этого, скачком изменяются все свойства жидкости характер их

'./т./ Тс.п.2

Рис.3. Характер изменений температурных зависимостей структурных характеристик для жидкого алюминия: ?кл - относительная доля кластеров; (с/а)кл - степень тетрагональности решетки кластеров (с ГЦТ-структурой); Тс.п. и Тс.п.- соответственно температуры первого и второго структурных превращений.

температурных зависимостей.

В четвертом разделе проанализирована термодинамика процессов термической обработки металлических расплавов с использованием структурных превращений в них. Показано, что скоростное охлаждение этих расплавов или скоростной их нагрев могут в значительной степени или полностью подавлять в них структурные превращения. В результате такой обработки расплавов появляется принципиальная возможность получить металлические жидкости с высокотемпературным или низкотемпературным типом структуры при любой заданной температуре.

Термодинамическое состояние жидкости при заданной температуре определяется величиной ее энергии Гиббса (6°т). При повышении температуры в точках фазовых переходов (в том числе и полиморфных) абсолютная величина производной <36°т/с1Т скачкообразно уменьшается. Зависимость 6°= !ЧТ) для жидкости, претерпевающей при некотором перегреве структурное превращение, в общем случае имеет вид, представленный на рис.4. Поскольку при скоростном охлаждении или при скоростном нагреве металлического расплава структурные превращения в нем тормозятся, то термодинамические свойства жидкости определенной структурной области могут быть в принципе получены и за пределами этой области путем экстраполяции соответствующей ей зависимости С°т = Г СТ) к заданной температуре (например, к температуре кристаллизации - ТКР) (рис. 4).

Рис.4. Зависимость энергии Гиббса (6Т) от температуры металла

Согласно линейному закону термодинамики необратимых процессов, скорость любого процесса оказывается пропорциональной степени отклонения системы от равновесного состояния. Количественной мерой этого отклонения в рассматриваемом случае кристаллизации расплава является величина (Дй°Кр)т- Поэтому при термоскоростной обработке расплава переход от одной структуры жидкости к другой , характеризующийся скачкообразным изменением величины (Д6°КР)Т, сопровождается скачкообразным изменением не только термодинамических и кинетических условий зародышеобразования, но и скорости роста кристаллов. Условия кристаллизации, в свою очередь, оказывают модифицирующее влияние на структуру, а также на химические, физические, механические и различные специфические эксплуатационные свойства получаемого металла.

Принципиально такая термоскоростная обработка (ТСО) реализуется путем нагрева расплава до температуры, несколько превышающей температуру структурного превращения, последующей изотермической выдержки расплава и скоростного его охлаждения до начала кристаллизации. Использование термоскоростной обработки расплава перспективно для улучшения как технологических свойств расплавов по ходу плавки и литья, так и для улучшения структуры и свойств литого металла.

Разработаны различные варианты ТСО с целью воздействия на структуру, физико-химические, технологические и служебные свойства алюминиевых сплавов марок АК7, АК5М2, АК5М7, АЛ2, АЛЗО и др., которые защищены 2-мя авторскими свидетельствами СССР на изобретения. На примере алюминиевого сплава АК4М4 показано, что механические свойства литых образцов немонотонно изменяются с увеличением температуры нагрева его расплава перед заливкой в кокиль. Зависимости предела прочности (бв), относительного удлинения (5) и твердости (НВ) литого сплава АК4М4 от исходной температуры его расплава носят экстремальный характер и достигают максимальных значений Вблизи Тс.п.1 = 970 К И Тс.п.2 = 1120 К.

Изучено также влияние термоскоростной обработки расплавов на структуру и свойства литейных алюминиевых сплавов марок АК7, АК5М2 и АК4М4. Микроструктура сплавов после ТСО отличается однородностью и дисперсностью, имеет более тонкое строение эвтектики и значительно меньший размер дендритных ячеек «-твердого раствора. Механические свойства прошедшего ТСО металла также заметно выше: бв - на 10-20%; 5 - на 50-100%.

Разработана технология модифицирования структуры в отливках

из металлов и сплавов, имеющих структурные превращения в жидком состоянии, основанная на термоциклировании их расплавов. Способ включает операции перегрева обрабатываемого расплава на (5-10 К выше температуры структурного превращения), его охлаждения ниже температуры структурного превращения (на 5-10 К) и последующего скоростного охлаждения. Операцию "перегрев-охлаждение" необходимо производить циклично с числом циклов не менее двух. Этот способ способствует повышению герметичности отливок на 34-38%, предела прочности в них на 14-16%, относительного удлинения - в 1,5-2 раза. По данным ВНИИПЙ способ термоциклирования металлических жидкостей внедрен на предприятиях Минавиапрома.

Установлено, что наиболее полное удаление водорода из алюминиевых расплавов путем рафинирования достигается проведением этой технологической операции только при их перегреве до конкретных температур структурных превращений, имеющих различные значения в зависимости от химического состава сплава. В качестве рафинирующих реагентов при этом были испытаны различные хлоридные отходы тита-но-магниевого производства. Разработан способ комбинированной термоскоростной обработки (КТСО) алюминиевых сплавов, обладающий заметным преимуществом по сравнению с ТСО. В частности, прирост относительного удлинения может достигать 100%, предела прочности -до 30% при одновременном снижении газонасыщенности в 1,5 раза. На этот способ получено авторское свидетельство СССР N 1262963. На Мценском заводе алюминиевого литья внедрена установка и технология ковшевого рафинирования в соответствии с основными принципами КТСО. Полученный экономический эффект от внедрения составляет 77,4 тыс.рублей (в ценах 1990 г.).

Гранулирование расплавов является эффективной технологической операцией, позволяющей получать сплавы с мелкозернистой структурой и дисперсным распределением избыточных фаз. Форма и строение гранул определяют такие важные их технологические свойства, как насыпной вес, текучесть и прессуемость. Нами подробно изучено влияние исходной (перед гранулированием) температуры жидких алюминиевых сплавов марок АК7 и АК4М4 на форму получаемых при этом гранул. При охлаждении (в движущемся кольце воды) капель расплава, нагреваемого до 1000 К (для сплава АК7) и до 970 К (для сплава АК4М4), получаемые гранулы приобретали округлую пластинчатую форму (форму дисков). Дальнейшее повышение температуры расплава (до 1090 К -для сплава АК7 и до 1120 К - для сплава АК4М4) приводило к образованию гранул неравноосной (эллипсоидной) формы. Более высокие

температуры (для сплава АК7 - свыше 1100 К и для сплава АК4М4 - свыше 1140 К) обеспечивали преимущественное получение гранул с формой, близкой к равноосным (сферическим) телам. Температуры перехода от одной формы гранул к другой хорошо согласуются с температурами первого (~1010 К и ~970 К - у сплавов АК7 и АК4М4) и второго (-1090 К и -1140 К соответственно) структурных превращений исследованных расплавов. По-видимому, происходящие при нагреве расплавов на основе алюминия структурные перестройки существенно отражаются как на физико-химических свойствах (вязкости, плотности, поверхностном натяжении и т.д.) жидкого металла, так и на условиях зародышеобразования и роста кристаллов, и, в конечном счете, на форме гранул. Установлено, что грануляция и последующее прессование позволяют повысить прочностные свойства литейных алюминиевых сплавов, выплавляемых из вторичного сырья (АК7МЦМГ2, АК5М2 и др.), на 40-60%, а их относительное удлинение в 5-20 раз. Металлографический анализ структуры этих сплавов показал, что в литом состоянии выделения интерметаллических фаз и эвтектического кремния - грубые, а в металле, прессованном из гранул, наблюдается значительное измельчение избыточных фаз и их равномерное распределение по объему.

Выполнены исследования влияния состава на свойства в жидком и твердом состояних основных литейных алюминиевых сплавов, выплавляемых из лома и отходов (АК7, АК5М2, АК5М7, АК9 и др.). В диапазоне концентраций основных легирующих элементов (Б!, Си, Мв, Мп) в них представлены данные по кинематической вязкости (V), плотности (с1), поверхностному натяжению (б), жидкотекучести (1), пределу прочности (бв), относительному удлинению (6) и твердости (НВ). Установлено, что во вторичных силуминах качественное воздействие основных легирующих элементов сохраняется аналогичным их влиянию в модельных алюминиевых сплавах. Полученные результаты по физико-химическим, литейным и физико-механическим свойствам в жидком и литом состояниях оформлены в виде паспортов на вторичные силумины, выпускаемые в чушках, и нашли применение при совершенствовании стандартов на литейные алюминиевые сплавы. В практике металлургического производства они также могут быть использованы для выбора и корректировки технологических свойств силуминов, выплавленных из вторичного сырья.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Установлено, что результаты экспериментальных исследований свойств и строения расплавов и их анализ в рамках современных структурных моделей жидкости могут быть успешно использованы для совершенствования металлургической технологии.

2. Введены методические и конструктивные усовершенствования, позволившие повысить стабильность метрологических характеристик опытных далных, получаемых при измерениях кинематической вязкости, плотности и структурных характеристик жидких металлов. Проведен общий вероятностный анализ погрешностей измерений свойств металлических жидкостей. Обоснованы основные принципы оперативного контроля измерений физико-химических свойств расплавов с использованием современных методов прикладной статистики.

3. Различными независимыми методами (методом "лежащей капли", методом крутильных колебаний, рентгенографическим) показано, что величины физико-химических свойств и структурных характеристик расплавов алюминия при повышении температуры претерпевают неоднократные скачкообразные изменения. При этом политермы кинематической вязкости расплавов с равновесной структурой могут быть представлены последовательным рядом экспоненциальных функций. Однотипность проявления структурных превращений в алюминиевых расплавах (чистом алюминии, модельных и промышленных сплавах) свидетельствует о том, что в основе рассматриваемого явления лежит единый механизм.

4. Предложен механизм протекания стимулируемых структурных термических превращений в жидком алюминии. Заключено, что рассматриваемые структурные превращения осуществляются путем скачкообразного изменения одного из параметров решетки кластеров при сохранении общего типа упаковки атомов в них. При этом в жидкости также скачкообразно изменяются структурные характеристики межкластерной разупорядоченной зоны. Кроме того, при структурном превращении в металлической жидкости скачкообразно изменяются относительные доли структурных составляющих.

5. Разработаны научные принципы структурного модифицирования металлических расплавов. Установлено, что термоскоростная обработка жидких алюминиевых сплавов, включающая перегрев металла до температуры, несколько превышающей температуру структурного превращения, изотермическую выдержку (30 мин.) и ускоренное охлаждение,

является достаточно простым и эффективным способом повышения качества силуминов. Комбинированные способы ТСО позволяют повысить их механические свойства в литом состоянии: предел прочности - до 30%, относительное удлинение - до 100%, при одновременном снижении газонасыщенности в 1,5 раза. Показано также, что основные принципы термоскоростного модифицирования могут быть реализованы и при центробежной грануляции алюминиевых расплавов.

6. Полученные сведения по физико-химическим характеристикам расплавов, данные по литейным и физико-механическим свойствам алюминиевых сплавов оформлены в виде паспортов на вторичные силумины, выпускаемые в чушках. Представленные результаты нашли применение при совершенствовании стандартов на литейные алюминиевые сплавы и при унификации марок сплавов, выплавляемых из лома и отходов, а также могут быть использованы для выбора и корректировки их технологических свойств.

7. Технические решения практических рекомендаций закреплены авторскими свидетельствами СССР на изобретения. Результаты иссле -дований внедрены в производство с реальным экономическим эффектом 77,4 тыс.руб. (в ценах 1990 г.).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ

1. Термоскоростное модифицирование алюминиевых расплавов /Ки-сунько В.З., Новохатский И.А., Погорелов А.И., Ладьянов В.И., Бычков Ю.Б. //Изв.АН СССР. Металлы. - 1980. - N 1. - С. 123-130.

2. Влияние фильтрации на свойства жидких алюминиевых сплавов /Микуляк О.П., Кисунько В.З., Погорелов А.И., Журавлева В.А. //Цветные металлы. - 1980. - N 8. - С. 84-88.

3. Вязкость вторичных алюминиевых сплавов с S1, Мп, Си и Mg / Кисунько В.З., Новохатский И.А., Белобородов А.З., Бычков Ю.Б., Погорелов А.И.//Цветные металлы. - 1983. - N 1. - С. 74-76.

4. Кисунько В.З., Новохатский И.А., Погорелов А.И. Влияние структурных превращений в алюминиевых расплавах на их свойства/ /Литейное производство. - 1986. - N 1. - С. 10-12.

5. Вязкость расплава Al-21,5% S1 /Кисунько В.З., Погорелов А.И., Мазур A.B., Новохатский И.А., Мазур В.И.//Металловедение и термическая обработка металла. - 1987. - N 9. - С. 30-35.

6. Погорелов А.И., Сорокина М.В. Особенности макро- и микростроения изломов сплава АК5М2 и АК7МиМг2 в литом состоянии и из прессованных гранул//Цветные металлы. - 1990. - N б. - С. 94-96.

7. Способ получения отливок /Новохатский И.А., Кисунько В.З., Виткалов И.С., Ладьянов В.И., Бычков Ю.Б., Погорелов А.И.//А.с. СССР N 994109, 1983. - БИ. - N 6. - 48 с.

8. Способ подготовки алюминиевых сплавов к литью /Погорелов А.И., Тодораки И.Е., Воробьев А.К., Новохатский И.А., Кисунько В.З., Голодович A.B., Рогаткин А.А.//А.с. СССР N 1262963 (без права публикации).

9. Гермоскоростное модифицирование алюминиевых сплавов из вторичного сырья //Погорелов А.И., Бычков Ю.Б., Кисунько В.З., Цветная Л.И. //Рациональное использование цветных металлов. Науч. тр. /Ин-т титана. - Запорожье, 1981. - С. 10-14.

10. Погорелов А.И., Кисунько В.З. Влияние физических воздействий на свойства вторичных алюминиевых сплавов/Переработка лома и отходов цветных металлов. Науч.тр.//Ин-т титана. - Запорожье, 1982. - С. 82-87.

11. Физико-химические свойства жидких алюминиевых сплавов /Кисунько В.З., Погорелов А.И., Мороз Ю.Г., Григораш А.В.//Производство металлов и сплавов из вторичного сырья. Науч.тр./Ин-т титана. - Запорожье, 1983. - С. 39-44.

12. Рафинирование алюминиевых сплавов плавом хлоридов /Тодораки И.Е., Цветная Л.И., Погорелов А.И. //Совершенствование технологии переработки лома и отходов цветных металлов. Науч.тр. /Ин-т титана. - Запорожье, 1985. - С. 42-45.

13. Применение хлоридных отходов титано-магниевого производства для рафинирования алюминиевых сплавов из вторичного сырья /Тодораки И.Е., Коханович В.И., Погорелов А.И., Орлова 0.И.//Проблемы безотходной технологии во вторичной цветной металлургии. Науч.тр. /Ин-т титана. - Запорожье, '1988. - С. 55-61.

14. Погорелов А.И., Кисунько В.З. Физико-химические особенности структурных превращений в расплавах алюминия и железа//3втекти-ка IV: Науч.тр. международной конф., 24-26 июня, 1997. - Днепропетровск, 1997. - С. 88.

15. 0 влиянии легирующих элементов на свойства жидких алюминиевых сплавов /Кисунько В.З., Бычков Ю.Б., Белобородов А.З., Алпеев B.C., Нетименко Л.И. Погорелов А.И. //Науч.сообщ. IV Всес.конф. по строению и свойствам металл, и шлак, расплавов. - Свердловск: УНЦ АН СССР, 1980. - Ч.2.- С. 523-525.

16. О влиянии структурных превращений в алюминиевых расплавах на свойства литого металла /Погорелов А.И., Кисунько В.З., Ново-хатский И.А., Бычков Ю.Е. //Применение результатов физико-химических исследований металлических и шлаковых расплавов для разработки металлургической технологии: Тез.докл. Всес. семинара, 15-17 октября, 1985 г. - Челябинск, 1985. - 7 с.

17. О полиморфных превращениях в жидком алюминии /Кисунько В.З., Погорелов А.И., Новохатский И.А., Кулешова Л.Д., Посохова А.Н.//Тех.науч.сообщ. VI Всес. конф. по строению и свойствам металлических и шлаковых расплавов. - Свердловск: УНЦ АН СССР, 1986. - 4.2. - С. 320-321.

АННОТАЦИЯ

Погорелов А.И. Совершенствование технологии плавки и литья алюминиевых сплавов на основе исследования их строения и свойств в жидком состоянии. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.03 - "Металлургия цветных и редких металлов". Запорожская государственная инженерная академия, г. Запорожье, 1998 г.

Проведены подробные экспериментальные исследования температурных зависимостей кинематической вязкости и плотности жидкого алюминия и жидких сплавов на его основе. Получены сведения о числе и температурах структурных превращений в расплавах алюминия и алюминиевых сплавов в области от температуры ликвидуса до 1343 К. Разработаны и апробированы основные технические приемы термической обработки алюминиевых расплавов на основе использования данных о структурных превращениях в них. Показаны возможности и определены резервы улучшения качества литого металла с помощью термоскоростной обработки его в жидком состоянии.

Ключевые слова: кинематическая вязкость, плотность, жидкое состояние, алюминиевые сплавы, структурные превращения термоскоростная обработка, плавка, литье.

АНОТАЦШ

Погорыов 0.1. Вдосконалення технологи плавки та лиття алкш-н1евих сплав1в на основ! досл1дження IX будови 1 властивостей в

р1дкому стан1. Дисертащя на здобуття ьченого ступеня кандидата техн1чних наук за фахом 05.16.03 - "МеталурПя кольорових i р1д-к1сних метал1в". Запор1зька державна шженерна академ1я, м. Запо-р1жкя, 1997 р.

Проведено докладн1 експериментальн1 досл1дження температурних залежностей к1нематично1 в*язкост1 i ццльнос^ р1дкого алюмШю, а також р1дких сплав1в на його ochobi. Одержано в1домост1 про число та температури структурних перетворень в розплавах алюм1н1я та алюмШевих сплав1в в обласй в1д температури л1квидуса до 1343 К. Розроблено i випробувано ochobhi техн1чн1 прийоми терм1чно'1 оброб-ки алюмШевих розплав1в на основ1 використання даних про струк-турн! перетворення в них. Показано можливосп i визначеш резерви П0Л1Пшення якостх литого метану за допомогою термошвидк1сно1 об-робки його в р1дкому стан1.

Ключов1 слова: к1нематична в'язк1сть, нцльтсть, р!дкий стан, amoMiHisBi сплави,структурн1 перетворення, термошвидк1сна обробка, плавка, лиття.

ANNOTATION

Pogorelov A.I. The improvent of technology for melting' and casting of aluminium alloys on base of investigation structure and properties in liquid state. Dissertation on competition for competition for candidate's degree in technical sciences on speciality 05.16.03 -" Metallurgy of Non-ferrous and Rare metals". Zaporoshian State Engineering Academy, Zaporozhye, 1998.

The detailed experimental investigations of on temperature dependence of kinematic viscosity and density of liquid aluminium and liquid alloys on its base have been done. The data relating to the number and temperature of structural transformations in molten aluminium and its alloys in the range of liquiaus temperature to 1343 К are received. The basic technical methods of heat treatment of aluminium melts using the data of structural transformations in them are developed and approved. The possibilities are shown and reserves of improvement the quality of cast metal by its rapid thermal treatment in liquid state are defined.

Key words: kinematic viscosity, density, liquid state, aluminium alloy, structural transformations, rapid thermal treatment, melting, casting.