автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Управление структурой и свойствами литых алюминиевых сплавов и разработка технологии их модифицирования мелкокристаллическими добавками

На правах рукописи

--"Л

Пронь Елена Борисовна <■ -у/у,

I'*' ■ /

с

/

Управление структурой и свойствами литых алюминиевых сплавов и разработка технологии их модифицирования мелкокристаллическими добавками

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена на кафедре "Физико-химия литейных сплавов и процессов" С-Петербургского государственного технического университета и кафедре "Технология литейных процессов" Самарского государственного технического университета

Научные руководители: доктор технических наук, профессор Б.Б.Гуляев доктор технических наук, профессор В.И.Никитин.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор СЗПИ О.Н.Магницкий

кандидат технических наук, директор НТК «Металлургия» ЦНИИМ А.А.Абрамов

Ведущая организация: ОАО «Моторостроитель» , г.Самара

Защита состоится " -/ " 1998 года в 46 ~ часов на заседании

диссертационного совета Д 063.38.08 при С-Петербургском государственном техническом университете по адресу: 195251, С-Петербург, Политехническая ул.,29, химический корпус, ауд.51.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах , заверенные печатью организации, просим направлять по указанному выше адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета Д 063.38.OS.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке СПбГТУ, Автореферат разослан "ЛО " ас^ис/пси 1998г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 063.38.08

доктор технических наук, проф.:

Г.С. Казакевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время расширяется область применения алюминиевых сплавов за счет отливок для автомобильной промышленности, благодяря их легкости, рециклируемости, коррозионостойкости. В условиях рыночной экономики основной задачей в производстве отливок из алюминиевых сплавов является экономия материалов вследствие применения прогрессивных норм расхода компонентов шихты, разработки, внедрения малоотходных энергосберегающих технологий и повышения качества литейных сплавов. Резервом улучшения структуры, литейных и физико-механических свойств литых алюминиевых сплавов служат методы управления структурой и свойствами, основанные на явлении наследственности. Одно из перспективных направлений в использовании закономерностей структурной наследственности состоит в модифицирующей обработке алюминиевых расплавов добавками быстрозакристаллизованных мелкокристаллических переплавов (МКП) и лигатур, в применении деформированных отходов и т.п. Важно также получение вторичных сплавов с улучшенными свойствами из отходов машиностроительной и электротехнической отраслей. Цель работы заключалась в исследовании возможностей управления структурой и свойствами литых сплавов систем Al-Cu, Al-Si и Al-Si-Cu за счет взаимосвязи иерархических структурных уровней, явления наследственности и разработке на этой основе экологически чистой технологии модифицирования алюминиевых сплавов добавками быстрозакристаллизованных мелкокристаллических переплавов и титаносодержащих лигатур для достижения повышенного уровня технологических и физико-механических свойств, снижения брака отливок при сокращенном расходе модифицирующих дсбавок.

Для этого решались следующие задачи:

1.Разработка графической трехкомпонентной модели основ литейных сплавов систем Al-Si, Al-Cu и Fe-C, предназначенной для анализа уровня свойств и структуры сплавов в зависимости от химического состава, дополнение систематизирующей таблицы структурно-иерархических уровней элементами строения сплавов, формулами корреляции их структурных параметров со свойствами по литературным данным.

2.Исследование влияния химического состава, вида шихты, степени деформированности ее структуры, скорости плавки и охлаждения сплава на структурные и физико-механические характеристики модельных бинарных композиций системы Al-Cu.

3.Исследование влияния скорости охлаждения на особенности струкгурообразования сплавов систем Al-Cu, Al-S¡ и адаптация программного метода определения параметров микроструктурного иерархического уровня - удельной поверхности и объемной доли фазовых составляющих.

4.Разработка технологии синтезирования автомобильного сплава АК6М2 с улучшенными свойствами и структурой на основе применения деформированных промышленных отходов для сплавов систем Al-Cu и Al-Si-Cu.

5.Получение из синтезированного сплава АК6М2 мелкокристаллических переплавов кристаллизацией в валках при повышенной скорости охлаждения.

б.Оптимизация и корректировка промышленной технологии модифицирования сплава АК6М2 малыми добавками быстрозакристаллизованных переплавов и лигатур. Научная новизна работы состоит в следующем:

1.Предложена методика систематизации сведений о химических составах, структурах всех уровней и ряде свойств в виде графической трехкомпонентной модели, осуществляющей новый подход к решению задачи выбора оптимального состава, получения качественной структуры и требуемых свойств литых сплавов.

2.Развита и дополнена концептуальная идея представления структур литых сплава в виде совокупности структурно-иерархических уровней с указанием содержащихся структурных элементов, их размеров и корреляции со свойствами.

3.Показано влияние скорости охлаждения в диапазоне 10-Ю3 °С/с на изменение структурных параметров в бинарных модельных сплавах систем Al-Cu и Al-Si и влияние скорости плавки в сплавах системы Al-Cu.

4.Выявлены взаимосвязи химического состава, твердости, прочности и электропроводности в сплавах Al-Cu, а также твердости и электропроводности в сплавах Al-Si-Cu, приготовленных из шихты, содержащей деформированные материалы.

5.Выполнен сравнительный анализ эффективности модифицирования медистого силумина АК6М2 несколькими типами мелкокристаллических модификаторов: переплавом сплава АК6М2, центробежной лигатурой (Ц-лигатурой) состава Al-Ti, лигатурой, полученной самораспространяющимся высокотемпературным синтезом (СВС-лигатурой) состава А1-5%ТМ%В.

6.Предложено объяснение механизма модифицирования медистого силумина АК6М2 добавками мелкокристаллического переплава.

На защиту выносятся:

1.Трехкомпонентная графическая модель бинарных сплавов на основе алюминия и железа, базирующаяся на принципе существования зависимости химического состава, структуры и свойств.

2. Классификация, описание структур литых сплавов с применением обобщенных визуализирующих и некоторых численных методов и корреляция между значениями свойств (концентрация и твердость, прочность и твердость сплавов системы Al-Cu), электропроводность и твердость сплавов системы Al-Si-Cu.

3.Результаты экспериментов по применению методов наследственного управления структурой и свойствами сплавов систем Al-Cu, Al-Si-Cu путем изменения строения и состава шихты, скорости плавки и охлаждения.

4,Оптимальные технологические параметры получения

быстрозакристаллизованного мелкокристаллического переплава в валковом кристализаторе.

5.Результаты исследований по модифицированию конструкционного сплава АК6М2 мелкокристаллическим переплавом , Ц-, СВС-титаносодержащими лигатурами на алюминиевой основе.

6.Результаты опытно-промышленных испытаний отливки "Головка блока цилиндров", проведенных в цехе алюминиевого литья АО "АвтоВАЗ". Практическая ценность работы заключается в том, что разработан рациональный режим получения экономичных высококачественных медистых силуминов из отходов деформируемых сплавов, позволяющий сохранить положительное наследственное влияние шихты, составлены технологические рекомендации. Из отходов металлургической и электротехнической промышленности, обладающих измельченной структурой, при быстрой кристаллизации в валках получен экономичный переплав с мелкокристаллической структурой, обладающий высоким модифицирующим действием. Определены оптимальные технологические параметры для достижения мелкодисперсной и равномерной структуры переплава в валковом кристаллизаторе. Установлено оптимальное количество МКП для достижения наибольшего модифицирующего эффекта, выразившегося в повышении литейных и механических свойств конструкционного сплава АК6М2, предназначенного для производства отливок "Головка блока цилиндров".

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 статей в центральной печати, 7 тезисов докладов на научно-технических конференциях.

Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены на V научно-технической конференции "Наследственность в литых сплавах" (г. Куйбышев, 1993), научно-технической конференции "Управление процессами формирования структуры и свойств литых сплавов в отливках" (г. Санюг - Петербург, 1996), юбилейной научно-технической конференции "Совершенствование литейных процессов" (г. Екатеринбург, 1997), конференции "Актуальные проблемы переработки лома и отходов цветных сплавов" (г. Владимир,1997), VI международной научно-практической конференции "Генная инженерия в сплавах"(г.Самара, 1998г). Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов по работе, списка литературы и приложений. Материалы работы изложены на 196 страницах, содержат 33 таблицы, иллюстрированы 50 рисунками. Список литературы содержит 140 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении раскрыта актуальность темы диссертационной работы, представлена научная новизна, практическая ценность работы, сформулированы задачи исследования и приведены положения, выносимые на защиту.

В первой главе на основании литературных источников рассмотрены современные научные представления о строении сплавов в твердом и жидком состоянии, о влиянии основных технологических факторов, состояния шихтовых материалов и их подготовки на структуру и свойства сплавов, свидетельствующие о перспективности методов, основанных на явлении наследственности. Проанализированы структурные параметры, изучаемые при исследовании сплавов.

Во второй главе изложена методика проведения работы. В качестве объектов исследования выбраны модельные сплавы на основе алюминия систем Al-Si, Al-Cu и сплав АК6М2 системы Al-Si-Cu, широко используемый в промышленности, в том числе в автомобилестроении. Для приготовления бинарных модельных сплавов были использованы алюминий марки А99, кремний Кр1, медь катодная М1, магний Мг90. Конструкционный сплав АК6М2 синтезирован из отходов металлургической и электротехнической промышленности, состоящих из дюралюмина Д16, ковочного сплава АК6; магналиев АМг2 и АМгб; отходов силуминов АК7, АК9, АК9ч, электротехнических алюминия марок А5Е-А7Е и меди МЗ с разной степенью деформации и содержанием примесей. Сплавы приготовляли в лабораторных условиях в закрытой печи сопротивления типа СШОЛ. Бинарные сплавы выплавляли в графитовых, сплав АК6М2 - в стальных

окрашенных тиглях. Для обработки расплава использовался покровный флюс и рафинирующий флюс "препарат МХЗ". Размер структурных элементов сплавов определяли методом случайных секущих на микроскопе (х400), с последующей обработкой программным методом. Изображения микроструктур получали на цветном копирующем видеопроцессоре "Mitsubishi electric-100", содержащем установку анализатора изображений (х200, хЮОО). Плотность определяли методом гидростатического взвешивания. Удельную электропроводность - с помощью вихревого структуроскопа ВС-ЗОН. Микротвердость по Кнуппу а-твердого раствора и фаз определяли на приборе "Leitz" при нагрузке 50 г. Литейные свойства (жидкотекучесть, линейную и открытую усадку, горячеломкость) сплава АК6М2 определяли по U-образной малой комплексной пробе Нехендзи-Купцова. Механические свойства определяли стандартным методом испытаний на образцах, выточенных из кокильной отливки по ГОСТ 1497-84. Твердость по Бринеллю определяли по ГОСТ 9012-59 при диаметре шарика 5 мм, нагрузке 250 кГ с выдержкой 30 с.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается достаточно большим объемом проведенных экспериментов, применением современных методов исследования структуры и свойств материалов и подтверждается опробованием результатов работы в условиях реального производства АО "АвтоВАЗ" и НПП "Интермет-Синтез".

Третья глава посвящена дополнению концептуальной структурно-иерархической таблицы, предложенной Б.Б.Гуляевым, параметрами структурных единиц и формулами, связывающими указанные структурные параметры, присущие определенному иерархическому уровню со свойствами литых сплавов. В соответствии с концепциями И. Пригожина принято условие, что отливка как синергетическая система вовлекает в процесс ее формирования все возможные структурные уровни. Возникает необходимость в классификации структурных уровней с учетом вклада каждого из них. С точки зрения синергетики стремление неравновесной системы, к которой относится отливка, к вовлечению наиболее эффективных каналов диссипации энергии приводит к конвективному протеканию процессов с формированием диссипативных структур: дислокационных ячеистых, фрагментированных, зерен, их конгломератов, блоков и др. В качестве теоретического отражения взаимосвязи и управления структурой и свойствами через химический состав предлагается методологическая трехкомпонентная модель, представляющая информацию о сплавах данной системы с

использованием сведений из литературных источников и собственных результатов.

В четвертой главе приведены результаты исследований влияния скорости охлаждения, равной » 3-5 °С/с и 10 3о С/с, на структуру сплавов системы Al-Cu. Показано, что увеличение скорости охлаждения с 3-5 0 С/с до 103° С/с выражается в изменении размеров структурных элементов, их морфологии, соотношения фазовых составляющих, а при достаточно высоких скоростях охлаждения - в трансформации структурных типов. Металлографическое изучение полученных валковой кристаллизацией сплавов концентраций твердого раствора показало уменьшение размеров параметров структурных единиц с повышением скорости охлаждения, а при кристаллизации сплава эвтектической концентрации - трансформацию эвтектики пластинчатого типа в колониально-сферолитный; дендритной формы твердого раствора, образовавшегося из-за смещения предела растворимости вследствие возросшего переохлаждения, - в сферолитную.

При последующем переплаве или введении в расплав определенного количества переплава при условии быстрого переохлаждения возможно модифицирование структуры и получение повышенных свойств. Выявлено, что сплавы формируются с унаследованной диспергированной структурой, большим количеством избыточных фаз, равномерно распределенных в объеме отливки. В материалах, полученных путем быстрого охлаждения из расплава, особенно заметно проявляется взаимосвязь структуры сплавов в жидком и твердом состояниях.

Проведено исследование по изучению влияния различных видов отходов, использованных в качестве шихтовых материалов, для получения сплавов системы Al-Cu. Высокие прочностные свойства сплавов в литом состоянии определяются деформированностью шихты, нейтрализующей действие вредных примесей (Fe, Si и др.) вследствие изменения их распределения в структуре. Применение деформированного алюминия сказывается на повышении прочностных свойств, а меди - на пластичности и электропроводности. Отмечено, что холодная деформация катодной меди марки М1 на 50 % позволяет получить значительный прирост пластических характеристик ( 5 - на 33 %, ср- на 69 %), а также электропроводности и плотности литого сплава AI-4,7 % Си по сравнению с использованием традиционной катодной шихты.

Комбинированное применение деформированных шихтовых металлов обеспечивает улучшение прочностных и пластических свойств и не требует дополнительных мер по обработке расплава. Полученные значения свойств соответствуют литературным данным. Таким образом, показана

возможность применения различных видов электротехнических отходов алюминия и меди для повышения свойств сплавов на основе явления наследственности.

Применение деформированной шихты приводит к понижению значений такого структурно-чувствительного свойства, как электропроводности, что вызвано более диспергированной структурой получаемых сплавов и возрастанием зернограничной поверхности. Установлено, что в результате естественного старения в течение 1 года наиболее значительно возросла электропроводность сплавов системы Al-Cu, полученных из первичной шихты, по сравнению со сплавами, изготовленными из отходов.

Исследовали влияние скорости плавки ( v nJ1) на формирование свойств и структуры сплавов системы Al-Cu. Повышение v пп с 0,18 до 0,26 ° С/с для сплава AI-6,84 % Cu (мае.) привело к некоторому снижению прочностных свойств, повышению пластичности на 15 % и электропроводности на 11 %. При ускорении плавки четко выраженная дендритная структура сплава сменяется менее проявленной со сниженной объемной долей фазы CuAI2. Таким образом, скорость плавки можно отнести к температурно-временным факторам, влияющим на структурную наследственность гетерофазных сплавов.

Применена программа статистической обработки результатов металлографического анализа по определению удельной поверхности, объемной доли фазовых составляющих, что позволяет без проведения испытаний заранее установить степень легированное™ и уровень свойств сплава. Распределение объемной доли фазы CuAI2 в исследованных сплавах подчиняется логарифмически нормальному закону, удельной поверхности фазы - нормальному закону.

На основе обработки результатов испытаний свойств доэвтектических литых сплавов из первичных материалов определена линейная зависимость твердости НВ от концентрации меди (%, мае.):

НВ= 384,15+27,65 - С ( 4,15 + 6,84 % Си) НВ= 362,32+30,96 • С ( 6,84 +15,00 % Си), где НВ- величина твердости, ед; С - концентрация меди, в %.

Выявлена устойчивая линейная зависимость прочности ств от твердости НВ и от электропроводности у методом наименьших квадратов в виде следующих уравнений:

ст, = 0,38'НВ-19,71, ffB = 503,25-11,84 у, где ств - предел прочности, МПа; у - электропроводность , МСм/м, для сплавов из отходов - прочности ств от электропроводности у:

orB = 9,75 у - 86,67.

Корреляция предела прочности с твердостью и электропроводностью позволяет упростить испытания сплавов, сократить время подготовки образцов, производить большее количество замеров на одном образце, что обеспечивает более точные показания. Исследование влияния химического состава, вида шихтовых материалов, степень деформированное™ их структуры, скорости плавки и охлаждения на структурные и физико-механические характеристики модельных бинарных сплавов системы Al-Cu показало, что перечисленные методы являются факторами управления структурой и свойствами и могут быть применены при получении сложнолегированных промышленных сплавов.

В пятой главе приведены результаты исследований по изучению влияния скорости охлаждения, равной » 3-5 ° С/с и 10 3 0 С/с, на струкгурообразование сплавов системы Al-Si с содержанием кремния 7, 12,5 и 17 % (мае.). В результате повышения v0„ расплава при его затвердевании происходит резкое диспергирование зерен а-твердого раствора, увеличение их легированности вторым компонентом из-за повышения степени его растворимости и уменьшения объемной доли эвтектической составляющей (a +S¡) вследствие переохлаждения и возникновения большого количества зародышевых центров кристаллизации. При скорости охлаждения 103 0 С/с достигается однородная и равномерная структура. Отмечено, что морфология сплавов Al-Si в большей степени зависит от скорости охлаждения, чем от концентрации кремния. Быстрое охлаждение способствует образованию первичного кремния, медленное - увеличивает количество эвтектики.

Влияние повышения скорости охлаждения на микроструктуру и процесс кристаллизации заэвтектического сплава AI-17 % Si (мае.) проявляется в измельчении кристаллов первичного кремния в 4-5 раз и увеличении их количества. Увеличение градиента температур не позволяет кремнию достичь больших размеров, смещая эвтектическую точку. Эвтектическая фаза измельчается, приобретая дисперсную форму, соответствующую модифицированной. Оценка физических свойств - плотности и электропроводности позволила заключить, что существует их зависимость от морфологии сплавов. Повышение электропроводности объясняется диспергированием структуры, а отсутствие отклонений значений от среднего - ее однородностью.

Высокоскоростная кристаллизация в валках характеризуется образованием большого количества поверхностей раздела быстрозакристаллизованных структурных составляющих и обеспечивает

их значительное измельчение, более равномерное распределение и увеличение их числа в единице объема. Этот принцип можно использовать и для повышения качества обычных лигатурных сплавов.

На основании результатов предварительных исследований получали из отходов деформируемых сплавов силумин АК6М2, соответствующий по химическому составу ГОСТ1583-93, но обладающий повышенными свойствами, мелкодисперсной структурой и более экономичный вследствие низкой стоимости шихтовых компонентов по сравнению с первичным.

Разработана программа определения химического состава шихты, в которую заносили фактический химический состав всех шихтовых компонентов. С помощью этой программы определяли их процентное содержание, количество от принятой массы плавки и расчетный химический состав варианта сплава, а также его ориентировочную стоимость.

Особенность сплава АК6М2 заключается в ограничении содержания примесей(Мп, Ре, что усложняет задачу его приготовления из отходов и делает ее особенно важной. Учитывали долю деформированной шихты.

Установлено, что с повышением доли деформированной шихты жидкотекучесть, линейная усадка, объем концентрированной усадочной раковины и электропроводность синтезированных силуминов понизились, а прочность и твердость - возросли. Пористость сплавов составляла 1 балл по шкале ВИАМ. По мере возрастания количества деформированной шихты измельчалось макрозерно, что способствует понижению горячеломкости. Изменения микроструктуры выразились в увеличении степени дисперсности структурных составляющих, мелкодисперсном строении твердого раствора без ликвации кремния. Размеры дендритных ячеек и выделений интерметаллидных фаз уменьшились в среднем в 2 раза по сравнению с микроструктурой первичного сплава, изменился характер усадочной раковины в прибыльной части пробы Нехендзи-Купцова с конусообразного на пологий. Результаты подтверждают сделанные ранее выводы о более быстром протекании кристаллизационных процессов вследствие модифицирующего действия шихтовых материалов с деформированной структурой.

В результате изучения различных видов шихтовых отходов сделаны следующие рекомендации: деформируемые сплавы Д16, Д19 дюралюминиевой группы; АК6; АМг2, АМгб магналиевой группы являются эффективными модификаторами при получении сплава АК6М2. Для наибольшего проявления эффекта следует осуществлять их ввод за 10-15 минут до окончания плавки по методу позднего модифицирования. При

длительной выдержке сплава модифицирующая способность добавок будет снижаться. При синтезировании сплавов из отходов следует ограничивать ввод лигатур, ориентируя содержание легирующих компонентов на нижний предел, т.к. из-за массового использования вторичных материалов возможно попадание в расплав дополнительного количества модификатора, что может привести к перемодифицированию и ухудшению качества металлопродукции. В образцах нескольких плавок отмечалось превышение допустимого содержания цинка, регламентируемого ГОСТ, что не привело к ухудшению свойств. При невысоких скоростях охлаждения цинк переходит в твердый раствор алюминия, уменьшая параметр его кристаллической решетки и повышая микротвердость. Микролегирование влияет на формирование благоприятной структуры литейных сплавов, особенно вторичных, обладающих микрогетерогенной структурой. Таким образом, возможно получение качественного литейного сплава АК6М2 с улучшенными свойствами из деформированных отходов.

Управление структурой и свойствами сплавов, получаемых из деформированных отходов, обеспечивается а результате проявления структурной наследственности, заключающейся в существовании в расплаве областей с повышенной микронеоднородностью, чье строение, размеры и время существования в расплаве зависят от структурного состояния исходной шихты.

На основе обработки экспериментальных данных установлена устойчивая линейная зависимость между твердостью НВ и электропроводностью у для синтезированных доэвтектических медистых силуминов в виде следующего уравнения:

НВ = 208,44 - 6,59 «у Синтезированный сплав можно рекомендовать в качестве предварительного сплава, а также как базовый сплав для получения мелкокристаллического переплава.

Достижение равномерной и мелкозернистой структуры и удовлетворительных свойств в отливках во многом зависит от строения модификаторов, которое, в свою очередь, определяется их составом и способом получения. Из синтезированного сплава АК6М2 получали мелкокристаллический переплав высокоскоростной кристаллизацией в валках при средней скорости охлаждения ~103 ° С/с. Варьировали технологическими параметрами - температурой перегрева расплава, температурой заливки, скоростью оборота валков, диаметром литникового отверстия.

Толщина закристаллизованной ленты составляла 1-2 мм, ширина - 3080 мм. Получаемый в валковом кристаллизаторе сплав характеризуется большой степенью измельченное™ и однородности структуры. Валковая кристаллизация ускоряет интенсивность теплоотдачи кристаллизующегося сплава и скорость его затвердевания. С ее возрастанием степень концентрационной неоднородности уменьшается, поскольку отсутствуют кинетические условия для ее реализации. В результате повышаются плотность и равномерность распределения фазовых структурных составляющих, изменяется их морфология, уменьшаются размеры. Изменение технологических условий получения переплава отражается на степени его однородности и дисперсности. Получали МК- переплавы при различающихся технологических параметрах, использованные в дальнейшем для модифицирования первичного сплава АК6М2. Переплав оценивали по измельченное™ и равномерности распределения твердого раствора и эвтектики. Сравнение микроструктур переплавов и анализ технологических условий их получения показали, что наилучшими условиями для получения переплава в данной установке является: температура заливки - 700 0 С, скорость вращения валков - 14 об/мин, диаметр литникового отверстия - 3 мм, атмосферное давление воды в валках-1 атм.

В лабораторных условиях без применения флюсового модификатора изучали влияние МКП, Ц- и СВС-лигатур на изменение структуры и свойств сплава АК6М2. С целью моделирования технологического процесса изготовления отливок в условиях промышленного производства АО "АвтоВАЗ" в лабораторных условиях использовали шихту следующего состава : 40 % первичного чушкового сплава АК6М2 + 60 % возврата собственного производства (ВСП). За основу брали технологические условия литья отливки "Головка блока цилиндров". Не допускали перегрев расплава выше 750 0 С. Ввод модификатора осуществляли за 10-15 мин до разливки при температуре 715 + 5°С. Заливку производили при температуре 710 +5° С.

При изучении действия МКП варьируемым фактором являлось его процентное содержание в шихте. Лигатурами варьировали содержание титана в расплаве от 0,12 до 0,20 % (мае.).

На первом этапе исследовали влияние МКП на сплав, приготовленный на основе шихты из 100 % первичного сплава АК6М2; на втором этапе -изучали действие МКП на сплав, содержащий в составе шихты 40 % первичного чушкового сплава и 60 % ВСП. Расчет количества вводимого переплава производили за счет уменьшения доли ВСП. Далее изучали

модифицирующее действие вышеуказанных модификаторов и сравнивали степень их эффективности.

Установлено положительное влияние МКП на литейные свойства: жидкотекучесть повысилась с 360 до 400 мм(10 %). Это объясняется тем, что МКП понижает вязкость расплава из-за сходства природы модификатора и модифицируемого сплава, обеспечивает наличие большего количества центров кристаллизации, уменьшает разветвленность дендритов. Модифицирующее влияние МКП более ощутимо проявляется на шихте, содержащей 60 % ВСП, что связано с ее гетерофазностью. Изменения линейной усадки (ёт) незначительны. Линейная усадка исходного первичного сплава АК6М2 составляет 0,73-0,79 %. Объем концентрированной усадочной раковины 0/кур.) исходного сплава, полученного из шихты с 60 % возврата и с добавками МКП, составляет 2,4 %; максимум У/К.у.р составляет 3,75 %. С вводом МКП свыше 3 % в зоне затрудненной усадки возникали горячие трещины шириной до 0,5 мм. Во избежание перемодифицирования необходимо ограничивать ввод переплава до 3 %. Характер усадочной раковины не изменился. Пористость понижается до 2 балла по шкале ВИАМ. Электропроводность возрастает с 18,4 до 18,9 МСм/м (3,3%). Плотность возросла с 2,7290 до 2,7345 г/см3. Прочность возросла на 22 %, твердость - на 4-6 единиц.

Установлено, что оптимальная концентрация МКП составляет 1,5-2 % и обеспечивает повышение жидкотекучести, прочности, твердости электропроводности, плотности сплава. Рост электропроводности связан с изменением микроструктурных составляющих- уменьшением ширины эвтектической прослойки и доли зерен а-твердого раствора, а также отсутствием измельчения макрозерна. Ввод в расплав повышенного количества МКП приводит к перемодифицированию - образуются крупные и разветвленные дендриты.

Улучшение свойств доэвтекгического силумина вызывает переплав, имеющий благоприятную морфологию, зависящую в данном случае от состава шихты и технологических условий его получения. Для объяснения эффектов, происходящих в сплаве при модифицировании быстрозакристаллизованными добавками, использована модель микронеоднородного строения А1-Знрасплавов. С вводом в расплав добавок быстрозакристаллизованного сплава в нем меняется характер взаимодействия компонентов. Это проявляется в измельчении и увеличении количества элементов структуры расплава и активизированных примесей. Действуя по механизму затравки, МКП обеспечивает увеличение их количества, они базируются на примесных атомах, частицах включений

с более высокой температурой плавления. Наличие в переплаве мелкодисперсных частиц приводит к измельчению зерна, формированию литой структуры с оптимальным, более равномерным распределением упрочняющих фаз по сечению отливки, в результате чего возрастают прочностные характеристики материалов. Выявлено, что уменьшается количество а-фазы и, соответственно, увеличивается количество эвтектики, морфология становится более благоприятной. Границы зерен становятся тоньше, грубые включения с границ переходят в твердый раствор, что также обеспечивает улучшение механических свойств. Эвтектическая и дендритная фазы обладают повышенной дисперсностью. С технологической точки зрения ввод МКП является поздним модифицированием.

С позиций наследственности и существующих представлений о строении расплавов, модифицирование рассматривается как процесс, направленный на стабилизацию микрогруппировок в расплаве. На основе их метастабильного коллоидного состояния в работе объяснена природа модифицирующего влияния МК-добавок. При вводе их в расплав с понижением температуры унаследованные коллоидные частицы служат подложками для гетерогенной кристаллизации с меньшим переохлаждением. Дисперсность, повышенное число и равномерность распределения частиц обеспечивают ускоренное зарождение кристаллов по всему объему расплава. Это способствует кооперированному росту кристаллов системы и формированию измельченной микроструктуры силумина. Внося в метастабильную, неравновесную систему добавки, содержащие большее число интерметаллидных фаз, можно управлять расплавами, изменяя количество, размеры, форму и распределение частиц.

Повторный переплав модифицированного сплава не изменяет равномерного распределения фаз и незначительно увеличивает количество эвтектики.

Проведены исследования модифицирующего влияния титаносодержащих лигатур на алюминиевой основе, полученных центробежным (Ц-лигатура) и СВС (СВС-лигатура) способами. Оценку качества лигатур определяли по характеру распределения и размерам интерметаллидных включений. Размеры интерметаллидов Ц-лигатуры, равномерно расположенных в структуре, составляют -12-15 мкм,. Толщина лигатурной заготовки составляла 4,0-4,4 мм. Добавки лигатур понижают жидкотекучесть на 44,5 %. Это происходит в результате повышения вязкости из-за возникновения большого количества зародышевых центров

кристаллизации типа А13И Во всем интервале варьирования содержания титана жидкотекучесть и электропроводность падают, что связано с особенностями механизма модифицирования (I рода), направленного на измельчение макрозерен, увеличение доли межзеренной поверхности, препятствующей прохождению токов Фуко. Ликвидируется разнозернистость по сечению отливки, структура становится более однородной. Открытая усадочная раковина увеличивается, ее характер изменяется с конусообразного на пологий, что также связано с уменьшением времени кристаллизационных процессов. Пористость образцов снижается с 3 до 1 балла по шкале ВИАМ, что повышает герметичность отливок. Добавка титаносодержащих лигатур полностью ликвидирует горячие трещины в исследованном интервале содержания титана. На микроуровне происходит обеднение эвтектической составляющей легирующими элементами вследствие дополнительного легирования зерен твердого раствора.

Таким образом, применение лигатур в качестве модификатора для сплава АК6М2 позволит повысить его герметичность, твердость и прочность, получить модифицированную макроструктуру.

В результате экспериментальных исследований был осуществлен выбор рационального режима модифицирования сплава АК6М2 добавками МКП и лигатур. Составлены эколого-технологический паспорт на мелкокристаллическую лигатуру марки АТЗ для модифицирования алюминиевых сплавов, а также временные технические условия и технологические рекомендации по применению модификаторов. При проведении испытаний в производственных условиях цеха алюминиевого литья АО "АвтоВАЗ" установлено повышение при обработке расплава сплава АК6М2 МКП- жидкотекучести, прочности с 21 до 23-24 кг/ мм2, твердости с 80,4 до 85-86 ед., пористости до 2 балла по шкале ВИАМ без существенного изменения пластичности; лигатурой - прочности - с 23 до 2425 кг/мм2, твердости с 83 до 85-89 ед., пористости до 1 балла, пластичности с 3,4 до 3,6-4,0 %, модифицирования макроструктуры. В шестой главе изложены рекомендации и опыт практического использования результатов работы. Рассчитано, что внедрение в производство АО "АвтоВАЗ" технологии модифицирования сплава мелкокристаллическим переплавом АК6М2 для получения "Головки блока цилиндров" позволит получить экономический эффект, составляющий 540 т.р.(от 1 т МКП); титаносодержащей лигатурой - 728 т.р. (от 1 т Ц-лигатуры) в ценах 1998 года. Получение вторичного сплава АК6М2 с улучшенными свойствами из отходов металлургического и электротехнического

производств обеспечивает экономический эффект, составляющий 2,5-3 т.р. в ценах 1998 года.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Методологически обосновано разбиение структуры отливки на взаимосвязанные иерархические уровни с целью последующего изучения свойств. Дополнена система иерархических уровней классификацией структурных параметров. Предложена методологическая трехкомпонентная модель, состоящая из диаграммы состояния, графиков физико-механических и литейных свойств и структур. Модель базируется на концентрационной, температурной и технологической зависимости и предназначена для оценки влияния концентрации на свойства, структуру, сравнения данных с литературными с учетом технологических условий.

2.В работе адаптирован оригинальный программный метод количественной оценки структурных параметров микроуровня - объемной доли и удельной поверхности фазы. Установлено, что объемная доля фазы CuAI2 литых бинарных сплавов Al-Cu доэвтектических концентраций распределяется по логарифмически нормальному закону; удельная поверхность - по нормальному.

3.Микроструктурные исследования подтверждают факт наследственности сильнодеформированной шихты в виде уменьшения объемной доли фазы в 2,3 раза, возрастания пластичности и электропроводности в сплаве AI-4,7 % Cu. Отмечено избирательное влияние деформированной шихты: алюминия - на повышение прочностных свойств исследуемых сплавов; меди - на повышение пластичности. Установлено влияние скорости плавки на увеличение пластических свойств и электропроводности, снижение прочностных свойств и плотности сплава AI-7 % Си. Установлено, что повышение скорости охлаждения 103 0 С/с) является достаточным для образования сферолитных форм кристаллов в сплаве AI-33 % Си, тогда как в сплаве AI-12,5 % SI происходит только диспергирование структурных составляющих.

4.Получены линейные зависимости прочности ств с твердостью НВ и электропроводностью у для сплавов системы А1-(4,2-н6,8) % Си из первичных материалов в виде следующих уравнений:

ста = 0,37 НВ - 19,71, ст„ = 503,25 - 11,84 у; для сплавов из отходов - прочности от электропроводности: ста = 9,75 у - 86,67,

где ств - предел прочности, МПа; НВ- твердость по Бринеллю, ед; у-удельная электропроводность, МСм/м.

Определена зависимость твердости НВ от концентрации меди (%, мае.) в доэвтектических сплавах из первичной шихты:

НВ= 384,15+27,65 С ( 4,15 6,84 % Си);

НВ= 362,32+30,96 С ( 6,84 -И5,00 % Си), где С - концентрация меди.

5.Определена возможность в производственных условиях НПП "Интермет-Синтез" получения качественного сплава АК6М2 системы А1-ЭьСи с повышенной твердостью НВ 90-109 единиц, на основе промышленных отходов металлургической, машиностроительной и электротехнической отраслей, обладающих определенной структурно-наследственной информацией. Выявлена линейная зависимость между твердостью НВ и электропроводностью у для синтезированных доэвтектических медистых силуминов в виде следующего уравнения: НВ = 208,44 - 6,59 у. Определение твердости по удельной электропроводности является экспрессным методом, позволяющим с минимальными затратами оценить уровень свойств сплавов.

6.Получен мелкокристаллический переплав методом высокоскоростной кристаллизации в валках из синтезированного сплава АК6М2. Установлены оптимальные технологические параметры для достижения мелкодисперсной и равномерной структуры переплава в валковом кристаллизаторе: Тзал =700 +10 0 С; скорость оборота валков - 14 об/мин; диаметр литникового отверстия - 3 мм; давление воды в валках - 1 атм.

7.Установлено, что модифицирование сплава АК6М2 малыми добавками быстрозакристаллизованного мелкокристаллического переплава уменьшает величину максимального переохлаждения и способствует за счет снижения работы зародышеобразования и устойчивого увеличения числа унаследованных центров кристаллизации, вводимых в расплав быстрозакристаллизованной шихтой, формированию измельченной структуры и повышению уровня литйеных и механических свойств.

8.Методом металлографического анализа микроструктуры сплава АК6М2 определено, что введение в расплав быстрозакристаллизованного переплава обеспечивает измельчение кристаллов а-твердого раствора в 45 раз и увеличение количества междендритной фазы, состоящей из сложных эвтектик. Это способствует повышению предела прочности, твердости, жидкотекучести и позволяет отнести такие добавки к зародышеобразующим модификаторам-инокуляторам. Подобные результаты могут быть получены и для других сплавов системы А1-31-Си.

Э.Впервые выполнен сравнительный анализ эффективности модифицирования литого сплава АК6М2 несколькими видами мелкокристаллических модификаторов. При проведении экспериментов в лабораторных условиях прочность сплава АК6М2 возросла за счет применения МКП на 22 %, твердость - на 7 %, жидкотекучесть - на 10%, электропроводность - на 3,3 %; за счет применения титаносодержащих лигатур прочность сплава АК6М2 возросла на 17,4 %(Ц) и 19,4 % (СВС); жидкотекучесть понизилась на 6% (Ц) и 4,7 % (СВС); электропроводность понизилась на 3,3 %. Выявлено, что оптимальным является содержание МКП 1,5 -2 %, а содержание титана в сплаве 0,16+0,18 % (мае.). Ю.Промышленное опробование показало возможность улучшения качества отливки "Головка блока цилиндров", требуемых механических и эксплуатационных свойств, сокращения брака сплава АК6М2 за счет применения специально подготовленной шихты, центробежных лигатур А1-Т'| и мелкокристаллического переплава. Результаты исследований данной работы использованы при составлении отчета по инновационному проекту № 4/ 96 "Синтезирование качественных алюминиевых сплавов из промышленных отходов различных производств". Экономический эффект по данному проекту достигает 2,5-3 т.р./1т в ценах 1998 года. Получено положительное заключение о результатах проведенных предварительных испытаний мелкокристаллических модификаторов для сплава АК6М2 при получении отливки "Головка блока цилиндров" в цехе алюминиевого литья металлургического производства АО "АвтоВАЗ". Предполагаемый экономический эффект от результатов внедрения на АО "АвтоВАЗ" модифицирования сплава АК6М2 мелкокристаллическим переплавом составит 540 т.р.; титаносодержащей лигатурой - 728 т.р. в ценах 1998 года. Разработана необходимая для внедрения техническая и технологическая документация. Предлагаемый процесс модифицирования может быть применен в существующем производстве без значительных технологических изменений.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Никитин В.И., Пронь Е.Б. , Пурыгин П.П. О возможностях переработки и использования алюминиевых шлаков металлургического завода // Наследственность в литых сплавах: Тез. докл. V науч.-техн. конф. Самара: СамГТУ, 1993. с.199-201.

2. Гуляев Б.Б., Пронь Е.Б. Связь диаграмм состояния литейных сплавов с формированием их структур.//Литейное производство. 1994. №5.

3.Никитин В.И.,Исмагилов В.С, Пронь Е.Б. Явления структурной наследственности литейных сплавов .//Литейное производство.1996.№8.-с.16-18.

4. Никитин В.И., Пронь Е.Б., Стульников В.В.Влияние состава и качества шихтовых материалов на свойства сплавов А1-Си.//Литейное производство. 1996. №9, с.9- 10.

5. Гуляев Б.Б., Ткаченко С.С., Пронь Е.Б. Литейный треугольник для сталей и серого чугуна. //Литейное производство. 1996. №10, с. 8-9.

6.Пронь Е.Б., Никитин В.И. Влияние шихтовых металлов на свойства алюминиево-медных сплавов II Совершенствование литейных процессов : Тез.докл.науч.-техн.конф.Екатеринбург.УГТУ-УПИ, 1997. с.156-160.

7. Гуляев Б.Б., Пронь Е.Б. "Литейные треугольники" систем Al-Mg, Fе-С.// Литейное производство. 1997, №3.с.6.

8. Пронь Е.Б., Никитин В.П., Исмагилов B.C., Ивашкевич А.Г. Управление структурой и свойствами синтезированного сплава АК6М2 II Актуальные проблемы переработки лома и отходов цветных сплавов: Тез. докл.науч,-техн.конф., Владимир.-1997.С.38-40.

9. Никитин В.И., Пронь Е.Б., Лесницкий А.Н. Модифицирование сплава АК6М2 добавками мелкокристаллического переплава II Актуальные проблемы переработки лома и отходов цветных сплавов: Тез. докп.науч.-техн.конф., Владимир.-1997. с. 41.

10. Пронь Е.Б., Волков B.C., Никитин В.И. Взаимосвязь структуры и прочностных свойств с электропроводностью сплавов систем Al-Cu и Al-Si-Cu// Генная инженерия в сплавах: Тез. VI междунар. науч.-практ. конф. Самара:1998.с.109-110.

11. Никитин В.И., Ивлев В.А., Пронь Е.Б..Лесницкий А.Н., Ивашкевич А.Г. Исследование структуры и свойств сплава АК6М2, модифицированного мелкокристаллическим переплавом// Генная инженерия в сплавах: Тез. VI междунар. науч.-практ.конф. Самара:1998.с.58-59.

12. Никитин В.И., Ивлев В.А., Лесницкий А.Н., Пронь Е.Б., Скрипников И.М.. Повышение качества отливки "Головка блока цилиндров" за счет технологии генной инженерии в условиях АО "АвтоВАЗ" // Генная инженерия в сплавах: Тез. VI междунар. науч.-практ.конф.Самара:1998.С.61 -63.

Подписано кпечати 10.08.98. Печ.л.1.0. Тираж 100 Ризография. Заказ № 354 Отпечатано в СамГТУ 443010, Самара, ул. Галактионовская, 141