Введение к работе
Актуальность темы. Совершенствование существующих и создание принципиально ноеых, экологически чистых и экономичных технологических' процессов обработки расплава представляется одним из основных путей решения задач по повыиениго надежности литых изделий, рациональному использованию материальных ресурсов. Несмотря на успехи, достигнутые в данной области, проблема качества литейных сплавов не теряет своей актуальности.
Пмрокое 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 сюставлягаших. Если ло вопросу практического применения указанного метода принципиальных разногласий у исследователей не возникает, то по проблеме, касаыцейся механизма воздействия добавок на размеры и форму кристаллических образований,, до сих пор' нет единого мнения.
Достаточно эффективным средством повышения качества литья считается метод рафинирования расплавов. Однако зачастую рафинирование связано либо с использованием сложных технических устройств, либо с экологически неблагоприятной обстановкой на рабочих местах. Все чаше для очистки.расплавов применяется фильтрация. Это направление требует как продолжения исследовательских работ, так и поиска новых практических ііриложений.
В ряде случаев промышленные алкминиевые сплавы не удовлетворяют пользователей в отношении некоторых специальных свойств, которыми должны обладать отдельные узлы и агрегаты, например износостойкость, коррозионная стойкость, жаропрочность. Указанным свойствам соответствуют' сплавы,' содержащие достаточно высокое количество тугоплавких металлов. Однако такие сплавы при наличии в их структуре игольчатых интерметаллических фаз, резко снижакших технологические и механические свойства, использовать в литейной технологии- не представляется возможным.
Получение сплавов с дисперсной гетерогенной с^труктурой при высоком содержании переходных металлов возможно с использованием высоких скоростей охлаждения. Быстроохлаждекные дисперсные материалы широко применяются в технологии обработки металлов давлением и порошковой металлургии. В литейном производстве использование быстроохлажденных сплавов видится в качестве высо-
- 2 -коксінцентрироБаншх лигатур, при их полном или частичном растворении в расплаве для получения однородных гетерогенных сплавоь. Связь работы с крупными научными программами. Настояная работа выполнена в соответствии: с программой Совета Министров РБ "Ресурсосбережение да 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 промышлешый 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 том числе с использованием промышленных отходов предприятий Республики Беларусь" (ГБ 92-21, 1993 г.); с программой НИР БГПА. "Разработка прогрессивных технологических процессов получения литых сплавов для производства тонкостенных отливок путем совершенствования их конструкцій и применения процессов микро- и макролегирования" (ГБ 86-13, 1990 г.).
Цель и задачи исследования. Повышение физико-механических и технологических свойств алюминиевых сплавов путем совершенствования процессов микрслегирования и рафинирования, а также разработка литейной технологии при использовании высоких .скоростей охлаждения. В работе решен ряд прикладных задач по применению высококонцентрированных быстроохлажцетых лигатур для легировани?! алюминия и его сплавов тугоплавкими металлами.
Для достижения поставленной-цели' в работе решались следующие задачи:
разработка технологических процессов повыпения качества алюминиевых сплавов, при использовании мероприятий рафинирования и фильтрации расплавов;
совершенствование процесса микролегирования и разработка новых модификаторов заэвтектических силуминов;
установление целесообразности микролегирования поршневого, сложнолегированного заэвтектического сплава КС-740 с целью повыпения его прочностных и тешюфизических показателей;
т оценка закономерностей структурообраэования и свойств высоколегированных сплавов алюминия с переходными металлами;
- исследование особенностей формирования структуры алюми
ниевых сплавов при высоких скоростях охлаждения;
.-3-
изучение характера изменения метастабильной структуры лигатур вблизи критических температур;
разработка нового технологического процесса использования быеяроохлажпенных дисперсных лигатур в цветнолитейном производстве.
Научная новизна полученных результатов. Предложен механизм модифицирующего действия активных добавок на формирование первичного кремния б заэвтектических силуминах, учитывающий как изменение внутренних (физических) свойств 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 фильтрулчэго 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 быстроохлажденных присадок на степень дисперсности различных фаз, образующихся при кристаллизации в легированных алюминиевых сплавах, заложено,явление металлургической наследственности литейных сплавов. Суть данного механизма состоит в том, 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 быстроохлажденных лигатурах при их введении в расплав в межкритическом интервале температур ликвидус— солидус или при небольшом превышении температуры ликвидуса способствует созданию в расплаве дисперсных высокообогащенных микрообъемов легирующего элемента, интенсифициругащ-к зарождение центров кристаллизации данных фаз.
Показано, что при введении в расплав быстроохлажденных лигатур еще в твердом их состоянии наблюдается- эффект рекристаллизации, заключающийся в коалесценции дисперсных выделений исследуемых фаз, что является отрицательным фактором.
Установлен сложный механизм структурсобразования прі пол-
_ і -
ном растворении дисперсных лигатур, заключавшийся в периодической зависимости размеров первичных интерметаллидов и кремния от времани выдержки приготавливаемого расплава, что связано с из-меняпдимися условиями гетерогенной кристаллизации.
Выполненные исследования позволяют утверждать, что ' в реальных условиях кристаллизации допустима возможность не только гетерогенного зарождения центров кристаллизации при небольших переохлаждениях, но и гомогенного на основе переобогащенных, ми-крообьемов расплава элементами, образующими данные фазы. Этот вывод подтвержден многократными переплавами быстроохлажденных 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 конкретные технологические режимы, необходимые для получения оптимального уровня свойств.
Предложены способы легирования алкмшиевых сплавов тугоплавкими металлами, не требукшие значительного перегрева расплава и позволявшие получать стабильные результаты.
Разработан новый .фильтр для рафинирования алюминиевых сплавов, имеыций практическую значимость, поскольку конструкция и компоненты фильтра не приводят к нарушению химического состава сплава и позволяют использовать отработанный фильтрующий элемент, оставшийся в литниковой системе, для последуицего переплава вместе- с возвратом^ Проведено опытно-промышленное оп-робывание 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 ДК7 - 328.5 тыс.руб., для сплава АК9 - 442.4 тыс. руб. в ценах 1995г.
Разработана литейная технология с использованием в шихте быстроохлажденных лигатур при их неполном растворении, позволяющая сочетать преимущества высокодисперсной структуры быстроохлажденных 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
- 5 -на Лидском литейно-механичёском заводе на участке литья поршней из сплава АК12ММгН. Экономический эффект на 1 тонну литья составил - 445.1 тыс. руб. в ценах 1995 г. Разработаны и утверждены технические требования на предлагаемые лигатуры.
Основные положения диссертации, выносимые на зашиту:
в основу объяснения механизма действия активных примесей на форму кристаллических образований кремния положен 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 формы при кристаллизации;
механические и некоторые специальные свойства, такие как жаропрочность и коррозионная стойкость алюминиевых сплавов, могут быть значительно улучшены при введении в .их состав даже небольших количеств переходных металлов;
содержание переходных металлов в алкминиевых сплавах выше их предельной растворимости приводит к появлению в структуре крупных, неравноосных интерметаллических 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;
нагрев дисперсных быстроохлажденных лигатур вызывает рекристаллизацию их структуры, приводящую 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 составлякших лигатур, а на этапе коалесценции при их нагреве;
применение в технологии плавки и литья быстроохлажденных лигатур способствует повышению эксплуатационных характеристик промышленных алюминиевых сплавов;
литейная технология с использованием дисперсных быстро-охлажденных лигатур при их неполном растворении в расплаве позволяет получать гетерогенньк сплавы с высокодисперсной структурой, которую невозможно обеспечить другими методами металлургической и внепечной обработки.
Личный вклад соискателя в совместных работах, результаты
.-6-.
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 результатов экспериментов.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены: на IV Всесоюзной научно-технической конференции "Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий" (Запорожье, 1989), на научно-технической конференции "Прогрессивные технологические процессы и роботизация в литейном праизйодстве (Гомель, 1984), на ежегодных научно-технических конференциях профессоров, преподавателей и аспирантов ВГПА. (Шнек, 1985-1995).
Публикацшг'ЛЬ материалам диссертации опубликовано 12 научных работ, из них 4 авторских свидетельства на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, пяти глав, вшо.цов, списка использованной литературы и приложения. Работа изложена на 85 страницах машинописного текста и содержит 13 таблиц, 71 рисунок, 196 наименований библиографіїческих ссылок.