Введение к работе
Актуальность работы. Проблема повышения механических и эксплуатационных свойств литых изделий из алюминиевых сплавов до сих пор остается актуальной в теории и практике литейного производства. Она решается разными путями, одним из которых является модифицирование. Использование модификаторов затравочного действия - это наиболее эффективный, простой и надежный способ модифицирования. Среди модификаторов наибольшее распространение получили модифицирующие лигатуры. Они содержат тугоплавкие дисперсные частицы, являющиеся потенциальными центрами кристаллизации сплавов. Их ввод в корне меняет процесс кристаллизации, что позволяет получить мелкую и однородную структуру и, тем самым, улучшить механические и технологические свойства сплава.
Несмотря на широкое применение лигатур для модифицирования, не
существует единого комплекса требований к их качеству. Работы последних
лет в области структурной наследственности в системе «шихта- расплав-
литое изделие» показали, что строение лигатуры оказывает существенное
наследственное влияние на процесс кристаллизации, структуру и свойства
модифицируемого сплава. Это проявляется в целенаправленном воздействии
на характеристики синтезируемых в процессе приготовления лигатуры
зародышеобразующих фаз, которые передают структурную информацию
через расплав к литому продукту. В связи с этим, важным является вопрос
управления процессом синтеза тугоплавких частиц в модифицирующих
лигатурах. Существующие способы получения модифицирующих лигатур
Al-Ti и Al-Ti-B, основанные на сплавлении чистых компонентов и
восстановлении элементов из их соединений, имеют ряд существенных
недостатков. Технология сплавления является высокотемпературной,
энергоемкой и не обеспечивает высокое качество продукта (неоднородная
грубая структура лигатуры оказывает негативное наследственное влияние на
строение и свойства модифицируемого сплава). Способы восстановления
элементов из их соединений часто используют в качестве исходного сырья
экологически вредные фтористые соли и являются достаточно сложными.
Лигатуру Al-Ti-B производят в основном в виде прутка, что значительно
удлиняет производственный цикл. Кроме того, указанные способы получения
лигатур недостаточно позволяют управлять процессом формирования
структуры, т.е. воздействовать на морфологию, размер, количество и
характер распределения зародышеобразующих частиц. В связи с этим,
актуальной является разработка менее энергоемкой технологии получения
мелкокристаллической лигатуры с возможностью управления процессом ее
структурообразования. С этой точки зрения одним из наиболее
перспективных способов является самораспространяющийся
высокотемпературный синтез (СВС). СВС позволяет в широком диапазоне регулировать структуру и свойства синтезируемого материала путем варьирования параметрами реакции, что может быть использовано для
синтеза в расплаве зародышеобразующих частиц с заданными структурными характеристиками. СВС в расплаве - это новая область в литейном производстве и требует необходимость учета и использования закономерностей этого процесса в классических СВС- системах на основе алюминия.
Цель работы. Исследование возможности использования нового процесса СВС для получения мелкокристаллических модифицирующих лигатур и разработка на основе этого соответствующей технологии для лигатур Al-Ti и Al-Ti-B.
Задачи исследования. На основе термодинамических расчетов изучить закономерности протекания СВС в алюминиевом расплаве в системах Al-Ti и Al-Ti-B и предложить технологию получения мелкокристаллических СВС- лигатур. Оценить их качество и исследовать наследственное влияние структурных параметров лигатур на процесс модифицирования и кристаллизацию алюминия и его сплавов.
Научная новизна. В работе проведены термодинамические расчеты, позволившие установить зависимость адиабатической температуры СВС-системы от состава исходной смеси порошков и использовать их для управления процессом формирования структуры при получении лигатуры методом СВС. Впервые исследованы закономерности протекания СВС в алюминиевом расплаве в системах Al-Ti и Al-Ti-B. Установлено, что они соответствуют основным закономерностям этого процесса в соответствующих «классических» СВС- системах. Получены зависимости СВС - и технологических параметров, а также структурных характеристик лигатур от способа ввода СВС- смеси в расплав (плотность брикета), вида порошков Ті и В, вида и количества флюса и порошка А1 в составе СВС-смеси, температуры ее ввода в расплав, времени выдержки в лабораторной печи сопротивления. Выявлены зависимости микроструктурных характеристик фазы АЬТі от температуры заливки и времени выдержки лигатурного расплава при приготовлении СВС- лигатуры в опытно-промышленной индукционной печи. Для оценки качества лигатур предложено использовать комплекс основных критериев структуры лигатуры. Проведен сравнительный анализ строения лигатур, полученных традиционными способами и методом СВС. Изучено наследственное влияние структурных параметров лигатуры на процесс модифицирования алюминия марок А5 и А7. Установлено, что СВС- лигатура Al-Ti с мелкими интерметаллидами блочной морфологии является наиболее универсальной и сохраняет наиболее длительный стабильный модифицирующий эффект. Показано, что литая СВС- лигатура Al-Ti-B имеет эффективность, одинаковую с прутковым аналогом. Установлено, что учет фактора наследственности при модифицировании алюминия и сплавов систем Al-Si-Cu, Al-Cu, Al-Mg позволяет добиться высокого стабильного модифицирующего эффекта лигатур Al-Ti и Al-Ti-B.
Практическая значимость. На основе исследованного СВС- процесса предложена новая технология получения модифицирующих лигатур Al-Ti и
Al-Ti-B. Эта технология за счет оптимального подбора состава СВС- шихты позволяет снизить температуру ее ввода до 840-900С и получать мелкокристаллическую лигатуру с блочной морфологией интерметаллидов. Определены оптимальные с точки зрения основных микроструктурных и технологических параметров режимы приготовления СВС- лигатуры Al-Ti и Al-Ti-B. Разработан эталон качества СВС- лигатуры Al-Ti. Применение СВС-лигатур позволяет экономить материалы: ввод в 2 раза меньшего количества СВС- лигатуры Al-Ti приводит к 2 раза большему измельчению макрозерна алюминия по сравнению с промышленными лигатурами, полученными методом сплавления. Ориентировочная экономическая эффективность от использования СВС- лигатуры Al-5%Ti составляет 100%. Применение СВС-лигатур в полупромышленных условиях на сплавах систем Al-Si-Cu, Al-Cu, Al-Mg показало их высокую эффективность.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на IV международном симпозиуме по СВС (Толедо, Испания, 1997г.), на VI международной научно-практической конференции «Генная инженерия в сплавах» (Самара, 1998г.), на международной научно-технической конференции «Металлдеформ-99» (Самара, 1999г.), на V международном симпозиуме по СВС (Москва, 1999г.), на международной конференции «Технология'99» (Братислава, Словакия, 1999г.), на международной конференции "Надежность и качество в промышленности, энергетике и на транспорте» (Самара, 1999г.), на научно-технической конференции «Теория и технология литейных сплавов» (Владимир, 1999).
Технология получения СВС- лигатур, а также их применение для модифицирования алюминиевых сплавах были опробованы на НЛП «Интермет-Синтез», АО «АВТОВАЗ».
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 статей, 13 тезисов доклада, получено положительное решение на выдачу патента РФ, способ получения лигатуры вошел в справочник «Научно-технические разработки в области СВС». 5 научных работ опубликовано в международных и зарубежных изданиях.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по результатам работы, перечня литературы, включающего 149 наименований, и приложения. Работа изложена на 190 страницах машинописного текста, содержит 68 таблиц и 80 рисунков.