Закономірності формування дрібнозернистої структури алюмінієвих сплавів, що містять дисперсні частки тугоплавких сполук - Автореферат

Таке твердження повністю справедливо для алюмінію і сплавів на його основі, які за звичайних умов охолодження утворюють структуру з стовбчастих або великих рівновісних зерен, а в деяких випадках твердіють з утворенням пірястих кристалів. З відомих методів досягнення означеного структурного стану, який забезпечує найкращі споживчі характеристики алюмінієвих сплавів, тільки оброблення розплаву лігатурними або сольовими додатками, що веде до формування в металі часток тугоплавких сполук, які при охолодженні відіграють роль підкладинок для утворення кристалів твердої фази, знайшло широке промислове використання. У цьому контексті зазначимо, що абсолютно усі сплави, що надходять до України з закордону у вигляді напівфабрикатів (профіль, пакувальна фольга, кузови, обшивка кузовів автомобілів), або відливок (блоки циліндрів, головки, корпуси трансмісій, диски), були оброблені лігатурами і, відповідно, містять у своєму складі дисперсні частки. Враховуючи наведені міркування, тему дисертаційної роботи, спрямованої на створення наукових основ раціонального використання лігатурних додатків, що містять дисперсні частки тугоплавких сполук, для формування дрібнозернистої структури алюмінієвих сплавів слід вважати актуальною. Предметом дослідження в роботі були склад, морфологія і розподіл дисперсних часток тугоплавких сполук в алюмінії і сплавах на його основі.Відповідно до моделі перитектичної реакції, яку було запропонованої Л.Мондолфо, кристали Al3Ti є ефективними зародкоутворювачами Al, і за таких умов, при введені означеної лігатури до металу цілком ймовірно, що головну роль центрів кристалізації будуть виконувати саме частки Al3Ti, а не бориди. До фазового складу лігатур Al - Ti - B входять матриця a-Al, кристали Al3Ti (тільки для лігатур ALTI5B1 і ALTI3B1) і частки, у спектрі мікрорентгеноспектрального аналізу яких спостерігаються піки В, Ti і Al. Дослідження мікроструктури зразків А99,99 після введення різної кількості ALTI6 показали, що: § в центрах зерен a-Al присутні скупчення часток (3 - 10 часток), які мають дві характерні форми: частки з чітким огранюванням та частки з довільною формою поверхні; В його складі добре розрізняються частки, які мають чітке кристалічне огранення (частки 1, 2 і 3), в той час як дві інші (частки 4 і 5) мають довільну форму. Після часткового або повного розчинення Al3Ti частки TIC ще деякий час можуть бути присутні в металі і при кристалізації відігравати роль центрів кристалізації.На основі результатів комплексного дослідження наслідків кристалізації в присутності часток тугоплавких сполук, виконаного з використанням як оптичної мікроскопії, так і сучасних методів мікроскопії і аналізаторів з високою роздільною здатністю, у сполучені з критичним аналізом літературних даних з даної проблеми, зроблені наступні висновки: Зменшення розмірів литого зерна алюмінію з доперитектичним вмістом титану, введеного в розплав у складі бінарної лігатури ALTI6, обумовлено зародкоутворюючою дією дисперсних часток карбіду титану, який утворюється завдяки присутності у лігатурі вуглецю, сконцентрованого переважно в кристалах Al3Ti. Частки TIC, що виникли при розчиненні Al3Ti, виявляються стійкими, якщо вміст Ti в розплаві перевищує 0,5 %. При охолодженні алюмінію чи сплаву алюміній - кремній з вмістом Ti більш, ніж 0,15 %, із швидкістю 0,1 - 20,0 К/с зародкоутворення а-фази відбувається на частках тетрагональної форми, склад яких у випадку чистого Al точно відповідає стехіометричній сполуці Al3Ti, а у сплаві Al - Si - фазі на основі триалюмініду титану, яка вміщує розчинений кремній. Здатність до зменшення розмірів литого зерна Al при використанні лігатур системи Al - Ti - B обумовлена присутністю в їх складі часток дибориду титану, більшість з яких відповідає стехіометричній сполуці TIB2 і має розмір 0,1 - 6,0 мкм. Кристалізація a-Al відбувається не безпосередньо на поверхні цих часток, а на проміжному шарі товщиною 15 - 20 нм, який повністю вкриває частки і містить лише Al і Ti.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

Дисертація присвячена встановленню закономірностей формування зеренної структури алюмінію і його сплавів при затвердінні в присутності дисперсних часток тугоплавких сполук з метою визначення оптимальних типу і кількості уживаних добавок та способів їх введення в розплав для одержання структури металу з найкращими споживчими характеристиками. На основі результатів комплексного дослідження наслідків кристалізації в присутності часток тугоплавких сполук, виконаного з використанням як оптичної мікроскопії, так і сучасних методів мікроскопії і аналізаторів з високою роздільною здатністю, у сполучені з критичним аналізом літературних даних з даної проблеми, зроблені наступні висновки: Зменшення розмірів литого зерна алюмінію з доперитектичним вмістом титану, введеного в розплав у складі бінарної лігатури ALTI6, обумовлено зародкоутворюючою дією дисперсних часток карбіду титану, який утворюється завдяки присутності у лігатурі вуглецю, сконцентрованого переважно в кристалах Al3Ti. Частки TIC, що виникли при розчиненні Al3Ti, виявляються стійкими, якщо вміст Ti в розплаві перевищує 0,5 %.

При охолодженні алюмінію чи сплаву алюміній - кремній з вмістом Ti більш, ніж 0,15 %, із швидкістю 0,1 - 20,0 К/с зародкоутворення а-фази відбувається на частках тетрагональної форми, склад яких у випадку чистого Al точно відповідає стехіометричній сполуці Al3Ti, а у сплаві Al - Si - фазі на основі триалюмініду титану, яка вміщує розчинений кремній.

Здатність до зменшення розмірів литого зерна Al при використанні лігатур системи Al - Ti - B обумовлена присутністю в їх складі часток дибориду титану, більшість з яких відповідає стехіометричній сполуці TIB2 і має розмір 0,1 - 6,0 мкм. Кристалізація a-Al відбувається не безпосередньо на поверхні цих часток, а на проміжному шарі товщиною 15 - 20 нм, який повністю вкриває частки і містить лише Al і Ti. Аналіз його електронномікроскопичного зображення показав, що структура шару має ознаки аморфного стану.

При використанні лігатури Al - Ti - B лише незначна доля часток TIB2, що входять до її складу, виступає як центри кристалізації, а решта осідає в міждендритних ділянках і на границях зерен у вигляді конгломератів. Це явище знижує корисний вплив лігатури на формування дрібнозернистої структури і, крім того, заважає виготовленню особливо тонкостінних деталей та фольги. З цієї точки зору доцільніше використовувати лігатуру Al - Ti - C, додавання якої не веде до утворення в розплаві великих конгломератів. Застосування цієї лігатури вимагає жорсткого контролю температурних і часових умов плавки, що повязано з нестійкістю часток TIC в рідкому алюмінії.

В присутності часток - потенційних зародкоутворювачів легуючий елемент впливає на формування дрібнозернистої структури подвійним чином: через зміну швидкості росту кристалів твердої фази і їх морфології і через створення попереду фронту кристалізації зони концентраційного переохолодження (DTC). Частки, що потрапляють до цієї зони, дістаючи необхідне для зародження кристалів переохолодження, стають центрами кристалізації нових зерен. Останні, в свою чергу, утворюють навколо себе зону DTC, яка також містить зародкоутворюючі частки. Така послідовність подій забезпечує рух фронту зародкоутворення від стінок форми вглиб зливка.

Концентрація легуючих елементів в алюмінієвих сплавах, впливаючи на морфологію зростаючих зерен а-фази, визначає ефективність зародкоутворюючої дії тугоплавких часток. При кристалізації сплавів з низьким вмістом легуючих елементів кристали ростуть у формі листків, і дифузійна зона вкриває вершини дендритних гілок товстим шаром, сприяючи зменшенню швидкості росту твердої фази і залишаючи, внаслідок цього, більше часу для залучення у зародкоутворення нових часток. При високому вмісті легуючих компонентів дендритні гілки першого порядку мають гілчасту форму і, відповідно, малу товщину дифузійної зони на вершинах. Через це лише мала доля часток потрапляє в сприятливі для зародкоутворення умови.

Кількісно вплив легуючих елементів на формування дрібнозернистої структури алюмінію в присутності часток тугоплавких сполук може бути описаний фактором росту Q, який відображає швидкість утворення концентраційно-переохолодженної зони на початковій стадії кристалізації. Для ефективного і економічного зерноподрібнення алюмінієвих сплавів Q повинно бути в межах 10 - 20 К. Для сплавів з низьким вмістом легуючих компонентів (Q = 1 - 3 К) слід рекомендувати додаткове легування елементами з високим питомим значенням Q, наприклад титаном, щоб зберігаючи морфологію дендритів, збільшити абсолютну величину DTC і, таким чином, активізувати зародкоутворюючу дію більшої долі часток. У сплавах з високим вмістом легуючих елементів (Q = 40 - 60 К) через вузьку зону DTC формується хоч і рівновісна, але крупнозерниста структура. Тому використання для таких сплавів лігатур з надлишковим, відносно до стехіометричного складу, зародкоутворюючих часток, вмістом легуючих елементів недоцільно.

Вперше експериментально визначений розподіл часток дібориду титана за розміром в лігатурах Al - Ti - B виявився близьким до експоненціального. Врахування цієї обставини у запропонованому варіанті моделі формування зеренної структури алюмінію в присутності тугоплавких часток показало, що не усі частки TIB2 потрапляють у сприятливі для зародкоутворення умови, внаслідок чого коефіцієнт корисної дії лігатур Al-Ti-B ніколи не досягає 100%.

При введенні в Al або сплав Al - Si порошку нітриду і карбонітриду титана у суміші з гексафторцирконатом калію центрами кристалізації виступають частки фази на основі Al3Zr, яка містить деяку кількість розчиненого титану. Частки TIN або Ti(C,N) не виконують самостійної зародкоутворюючої функції. Досягнення середнього розміру зерна в межах 100 - 140 мкм за допомогою введення TIN (Ti(C,N)) потребує майже в 3 рази більшої добавки, ніж при ввдені ALTI5B1. До того ж засвоєння тугоплавких часток TIN або Ti(C,N) суттєво нижче за 100 %, що також знижує економічність їх використання для подрібнення зерен. Тому користуватися для подрібнення зерна алюмінію і його сплавів добавками TIN і Ti(C,N) недоцільно.

В доевтектичних сплавах Al - Si найвищу ефективність подрібнення зерна виявляє подвійна лігатура ALB4, механізм дії якої залежить від вмісту домішки титану у вихідному металі. В сплавах з вмістом Ti до 0,01 % утворення зародків твердої фази відбувається на поверхні часток дібориду алюмінію. Для сплавів з вмістом Ti більш, ніж 0,04 %, зародкоутворення відбувається при участі часток дібориду титана, що утворюються у розплаві внаслідок реакції введеного з лігатурою бору з титаном. Ці частки, як і частки TIB2, введені з потрійної лігатури Al - Ti - B, стійкі в алюмінієво - кремнієвому розплаві і зберігають здатність до зародкоутворення навіть після триразового переплаву металу.

Таким чином, в роботі розвязано важливу науково - практичну задачу: встановлено закономірності формування зеренної структури алюмінію в присутності часток тугоплавких сполук, таких як TIB2, TIC, Al3Ti, Al3Zr, TIN і Ti(C,N) та обґрунтовано, яким чином присутність легуючих елементів та домішок впливає на кристалізацію алюмінію в дрібнозернистій формі. На основі одержаних результатів розроблено підхід до раціонального використання лігатур для зменшення розмірів литого зерна алюмінієвих сплавів і, за рахунок цього, формування високих споживчих властивостей останніх, якій є універсальним як для ливарних сплавів, так і для сплавів для подальшого деформування.

а) Основні матеріали дисертації опубліковані в роботах: Михаленков К. В., Чернега Д. Ф., Могилатенко В.Г., Моляр А.Г. К вопросу об усваиваемости тугоплавких соединений жидкими алюминиевыми сплавами// Процессы литья. - 1996. - № 1. - с. 3 - 9

Михаленков К. В., Могилатенко В. Г. Получение дисперсноупрочненных и композиционных материалов на основе алюминия// Процессы литья. - 1996. - № 2. - с. 49 - 63

Михаленков К.В., Могилатенко В.Г., Райф В. Новые аспекты в применении нитрида титана для упрочняющей обработки алюминиевых сплавов// Процессы литья. - 1997. - № 1. - c. 41 - 50

Михаленков К. В., Чернега Д. Ф., Могилатенко В. Г., Жаркая А. О. Некоторые технологические особенности получения качественных отливок из сплава ВАЛ10// Процессы литья. - 1999. - № 1. - c. 49 - 56

Чернега Д. Ф., Михаленков К. В., Могилатенко В.Г., Прилуцкий М.И. Нитридные частицы как перспективный материал в технологии дисперсного упрочнения алюминиевых сплавов// Теория и практика металлургии. - 1998. - № 2. - c. 50 - 54

Михаленков К. В., Могилатенко В. Г. Необходимость разработки государственной научно-технической программы по литым дисперсноупрочненным и композиционным материалам - веление времени// Проблемы специальной электрометаллургии. - 1997. - № 3. - c. 64 - 68

Михаленков К. В. Кристалізація i властивості сплавів. Новітні технології// Металознавство та обробка металів. - 1997. - № 3 - 4. - c. 70 - 71

Михаленков К. В., Могилатенко В. Г. Некоторые вопросы получения литых дисперсноупрочненных и композиционных материалов// Процессы литья - 1997. - № 4. - c. 51 - 53

Чернега Д. Ф., Михаленков К. В., Кузимович Э. Н. Промышленное освоение технологии дисперсного упрочнения литейных алюминиевых сплавов// Процессы лиття. - 1998. - № 1. - c. 41 - 50

Михаленков К.В., Могилатенко В.Г., Регенер Д., Ісляйб А. Дисперсні частки тугоплавких сполук як можливі зміцнювачі вторинних алюмінієвих сплавів// Металознавство та обробка металів. - 1999. - № 4. - c. 50 - 57

Mykhalenkov K. V., Lysenko S. I. ,Reif W. Application of TIN particles for grain refinement of Aluminum// Z. Metallkunde. - 1999. - Vol. 90, № 9. - p. 664 - 668

Чернега Д. Ф., Могилатенко В. Г., Михаленков К. В., Прилуцькій М. I. Технолог-гія дисперсного зміцнення алюмінієвих сплавів нітридними частками// Науковий Вісник КПІ. - 1998. - № 3. - с. 85 - 90

Михаленков К.В., Лысенко С.И., Райф В. Измельчение зерна алюминия с помощью титана, циркония и тройных лигатур ALTIB и ALTIC// Процессы литья.-2000. - № 2. - c. 21 - 31

Михаленков К. В., Лисенко С. И., Райф В. Измельчение зерна алюминия с помощью частиц нитрида и карбонитрида титана// Процессы литья. - 2000. - № 3. - с. 49 - 57

Михаленков К. В., Могилатенко В. Г., Лисенко С. И. Формирование структуры алюминия, содержащего дисперсные частицы нитрида титана// Процессы литья. - 2001. - № 1. - с. 40 - 47

Михаленков К. В., Райф В. Измельчение зерна алюминия при доперитектических добавках титана// Теория и практика металлургии. - 2002. -№ 2. - c. 34 - 42

Михаленков К. В., Райф В. Формирование и устойчивость частиц карбида титана в алюминии при доперитектических добавках титана// Теория и практика металлургии. - 2002. - № 3. - c. 12 - 17

Михаленков К. В., Чернега Д. Ф. Модифицирование алюминия титаном, цирконием и лигатурами ALTIB и ALTIC//Литейное производство.-2001.-№4.-с. 17 - 20

Михаленков К. В., Лисенко С. И. Модифицирование сплавов системы Al - Si добавками титана, бора и углерода// Процессы литья. - 2002. - № 2. - c. 44 - 52

Михаленков К. В., Райф В. Экспериментальное наблюдение границы раздела между зародышем кристаллизации и алюминиевой матрицей// Металлофизика и новейшие технологии. - 2001. - Т. 23, № 8. - c. 1049 - 1056

Михаленков К. В. Перераспределение титана при кристаллизации алюминия// Процессы литья. - 2002. - № 2. - c. 37 - 41

Михаленков К. В., Лысенко С. И. Измельчение зерна доэвтектических силуминов с помощью титан- и цирконийсодержащих солей// Процессы литья. - 2003. - № 1. - c. 41 - 50

Михаленков К. В. Зародкоутворюючі частки в алюмінієвих сплавах з додатками лігатур систем Al - Ti, Al - B, Al - Ti - B // Металознавство та обробка металів. - 2004. - №3. - с. 44 - 48

Окремі дослідження, що стосуються введення нітриду і карбонітриду титану в розплав алюмінію були виконані спільно з кандидатом технічних наук В. Г. Могилатенком (кафедра “Фізико-хімічні основи технології металів”, Національний технічний університет України) і аспірантом тієї ж кафедри С. І. Лисенком. В роботі 1 переліку основних публікацій за темою дисертації автором розроблена та перевірена методика визначення рівномірності розподілу тугоплавких часток у відливці. В роботі 2 автор виконав аналіз літератури з питань синтезу композиційних матеріалів, а також виконав дослідження по впливу тугоплавких часток на розмір зерна алюмінію. Автор приймав участь в обговоренні результатів. В роботі 3 автором виконані дослідження по введенню тугоплавких часток в рідкий алюміній і одержані результати досліджень центрів кристалізації на скануючому електронному мікроскопі. Автор брав участь в обговоренні впливу дисперсних тугоплавких часток нітриду титана на подрібнення зерен в алюмінії. В роботі 4 авторові належить методика обробки даних та результати випробувань по впливу різних факторів на характеристики ливарних алюмінієвих сплавів. В роботі 6 авторові належать результати досліджень макро- і мікроструктури алюмінію після обробки сумішшю солі з тугоплавкими частками, узагальнення результатів. б) Додаткові публікації по темі дисертації: Чернега Д. Ф., Михаленков К. В., Могилатенко В. Г., Струина Т. А. Применение новых флюсов для упрочняющей обработки алюминиевых сплавов // Процессы литья.-1995. -№ 3. - c. 82 - 89

Чернега Д.Ф., Михаленков К.В., Могилатенко В.Г. Нитридные частицы как перспективный материал в технологии дисперсного упрочнения алюминиевых сплавов// Неметаллические включения и газы в литейных сплавах”, Сб. Научных трудов 8-й научно-технич. конференции г. Запорожье, 1997 г. - c. 23 - 26

Чернега Д.Ф., Михаленков К.В., Могилатенко В.Г. Структурообразование в модифицированных нитридами литейных алюминиевых сплавах// Сб. научных трудов конференции “CO-MAT-TECH’97”, г. Трнава, Словакия, 14 - 15 октября 1997 року. - c. 207 - 214

Mykhalenkov K., Lysenko S. Application of nitride particles for hardening of aluminum alloys// Konferencja Nukowo Techniczna Odlewniztwo Metali Niezelaznych. - Secja Odlevnictwa Metali Niezelaznych AGH, Krakow. - 1998. -S. 47-54

Mykhalenkov K., Lysenko S. and Reif W. TIN particles as potential grain refiner for aluminum//Konferencja Nukowo Techniczna Odlewniztwo Metali Niezelaznych.-Secja Odlevnictwa Metali Niezelaznych AGH, Krakow.-1999, S.69-77

Mykhalenkov K.V., Mogilatenko V.G., Lysenko S.I. Grain refinement of hypoeutectic Al-Si alloys by titanium, boron and carbon additives// Procedeengs of 6th International School-Conference “Phase Diagramme in Material science” PDMS-2001, Kiev.-2001. - p. 161

Чернега Д.Ф., Могилатенко В.Г., Михаленков К.В. Массоперенос азота в жидких сплавах алюминия с титаном и марганцем // Изв. ВУЗОВ. Черная металлургия. - 2001. - № 10. - c. 21 - 23

Чернега Д.Ф., Могилатенко В.Г., Михаленков К.В. Массоперенос азота в жидких сплавах алюминия с титаном и марганцем // Процессы литья. - 1999. - № 4. - c. 11 - 15