НАЦіОНАЛЬНА МЕТАЛУРГіЙНА АКАДЕМіЯ УКРАїНИ

шпортько ганна юріївна

УДК 669.017.113:669.715(043)

ЗАКОНОМІРНОСТІ СТРУКТУРОУТВОРЕННЯ ЕВТЕКТИЧНОГО СИЛУМІНУ З ПІДВИЩЕНИМ РІВНЕМ МЕХАНІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ

ПІСЛЯ КЕРОВАНОГО ПЕРЕХОДУ З РІДКОГО СТАНУ В ТВЕРДИЙ

Спеціальність 05.16.01

“Металознавство та термічна обробка металів”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національній металургійній академії України Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор МАЗУР Владислав Іустинович, Національна металургійна академія України, м. Дніпропетровськ, професор кафедри матеріалознавства ім. Ю.М. Тарана

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук МИХАЛЕНКОВ Костянтин Вікторович, Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", м. Київ, доцент кафедри "Фізико-хімічні основи технології металів";

доктор технічних наук ВАХРУШЕВА Віра Сергіївна, Державне підприємство "Науково-дослідний та конструкторсько-технологічний інститут трубної промисловості ім. Я.Ю. Осади", м. Дніпропетровськ, заступник директора з наукової роботи, завідуюча відділом матеріалознавства та термічної обробки металів.

Захист відбудеться "23" жовтня  р. о 12-30 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .084.02 Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна 4

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна 4

Автореферат розіслано "17" вересня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради ________________________А.М. Должанський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сплави системи Al-Si, зокрема, евтектичні силуміни типу АК12 широко використовуються як конструкційні матеріали завдяки гарній технологічності та високому рівню фізико-механічних властивостей. Вони успішно конкурують з іншими конструкційними матеріалами при використанні їх у загальному та авіаційному машинобудуванні, хімічній, електротехнічній промисловості, у побутовій техніці.

Для поліпшення експлуатаційних характеристик та механічних властивостей евтектичних силумінів як конструкційних матеріалів застосовуються такі технологічні заходи, як мікролегування, модифікування, нагрів та витримка розплаву при заданій температурі (термочасова обробка) та інші. Однак, обґрунтування означених технологічних заходів, які пов'язані з впливом на рідкий стан сплаву та подальше його твердіння, до наявної роботи було недостатньо. Застосування цих заходів є не завжди цілеспрямованим. Це стримувало використання резервів підвищення механічних властивостей сплавів.

Існують відомості про можливість збереження структурних особливостей розплавів силумінів та ближнього порядку в кластерах під час їх високошвидкісного твердіння. Це встановлено за допомогою методів рентгенівських дифракційних досліджень тонких плівок матеріалів, одержаних методом спінінгування. Однак, явища порушення монотонності залежності фізико-хімічних властивостей рідких металів від температури при певних її значеннях не знайшло вагомого обґрунтування та пояснення, зокрема, внаслідок недосконалості методу, що вікористовувался. Це заважало прогнозуванню властивостей евтектичного силуміну АК12 та керуванню ними.

Отже дослідження закономірностей структуроутворення евтектичного силуміну з підвищеним рівнем механічних властивостей після керованого переходу з рідкого стану в твердий на основі удосконалення методики спінінгування, поліпшення інструментарію для рентгеноструктурних досліджень в широкому інтервалі температур, включаючи кріогенні, з урахуванням явища металургійної спадковості для евтектичного силуміну є актуальною науковою та прикладною задачею.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Виконання дисертаційної роботи зв'язано з тематичними планами наукових досліджень Національної металургійної академії України, а саме: з темою "Дослідження можливості виготовлення штампованих поршнів з гранульованого сплаву АК35Ж2Г для двигунів КАМАЗ" (робота виконувалась відповідно цільової комплексної програми Мінвузу СРСР "Метал", наказ №599 від 25.11.1986 р.); з темою "Розроблення конкурентноспроможних ливарних сплавів на основі алюмінію широкого призначення, що виробляються з вітчизняної сировини" (ДР № U007848); за темою "Розроблення та впровадження способів позапічної обробки та мікролегування металевих розплавів" (ДР № U008178). Автор була співвиконавцем вказаних робіт.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи було визначення умов керованого переходу з рідкого стану в твердий, які гарантують досягнення необхідних структурних характеристик та підвищеного рівня механічних властивостей виробів з евтектичного силуміну.

Для досягнення поставленої мети було сформульовано наступні задачі:

- дослідити вплив керованого нагріву та ізотермічної витримки розплаву на параметри ближнього порядку кластерів евтектичного силуміну при дифракційних дослідженнях;

- зіставити будову рідкого та твердого стану евтектичного силуміну для встановлення можливої кореляцію між ними;

- дослідити вплив температури нагріву розплаву на структурні характеристики та механічні властивості евтектичного силуміну;

- дослідити закономірності формування та розпаду структури і фазового складу евтектичного силуміну після високошвидкісного твердіння;

- розробити технологічні заходи щодо керованої зміни структури евтектичного силуміну в рідкому стані для надання йому в твердому стані підвищеного рівня механічних властивостей.

Об’єкт дослідження. Евтектичний силумін в рідкому та твердому стані.

Предмет дослідження. Закономірності структурних змін в евтектичному силуміні при керованому переході з рідкого стану в твердий.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження роботи базуються на фундаментальних положеннях металознавства та фізики рідкого стану металів і сплавів.

При проведенні досліджень були використані сучасні методи: мікроструктурна та стереометрична металографія, скануюча та трансмісійна електрона мікроскопія і електронографія, рентгеноструктурний, дослідження структури рідкого стану силуміну методом рентгенографії, спінінгування розплаву; випробування мікротвердості; механічні властивості сплаву, який досліджували, визначали в результаті стандартних розривних випробувань.

Наукова новизна отриманих результатів. Наукова новизна роботи визначається наступними результатами:

Набуло подальшого розвитку експериментальне дослідження стрибкоподібного порушення монотонності та закономірностей змін механічних властивостей та структурних характеристик евтектичного силуміну після твердіння в залежності від температури нагріву та швидкості охолодження його розплаву. Розробка відрізняється матеріалом дослідження – евтектичний силумін АК12оч та температурно-швидкісними режимами його охолодження. Це дозволило обґрунтувати актуальність подальших дифракційних досліджень для визначення температур структурних переходів в рідкій фазі матеріалу, оптимізувати температурний діапазон дослідження та вибір технологічних параметрів нагріву розплаву для одержання евтектичного силуміну з керованою, прогнозованою структурою та необхідним рівнем механічних властивостей.

Набуло подальшого розвитку дослідження впливу температури ізотермічної витримки розплаву евтектичного силуміну на параметри ближнього порядку кластерів. Розробка відрізняється використанням прямого дифракційного методу та температурними інтервалами дослідження розплаву. Це дозволило уточнити роль явища металургійної спадковості при формуванні прогнозованої і керованої структури та механічних властивостей евтектичного силуміну.

Вперше для евтектичного силуміну експериментально встановлено, що одна з твердих метастабільних проміжних фаз з тетрагональною упаковкою успадковує параметри ближнього порядку кластерів рідкої фази з упаковкою по типу тетрагональної. Розробка відрізняється матеріалом дослідження – евтектичний силумін. Це дозволило керувати кінетикою структуроутворення виробів з евтектичного силуміну, а також конкретизувати існуючі уявлення теорії металургійної спадковості про зв'язок між структурою рідкої та твердої фаз для сплаву, який досліджували.

Набуло подальшого розвитку дослідження кінетики розпаду твердих метастабільних проміжних фаз, які утворилися в ході високошвидкісного твердіння евтектичного силуміну. Розробка відрізняється температурним діапазоном дослідження. Це дозволило визначити необхідні технічні вимоги для конструювання та виготовлення оригінальної низькотемпературної приставки до рентгенівського дифрактометра і удосконалити методику визначення фазового складу тонких швидкозатверділих плівок, які отримані методом спінінгування.

Набуло подальшого розвитку дослідження залежності товщини швидкозатверділих тонких плівок від параметрів спінінгування. Розробка відрізняється комплексним урахуванням впливу параметрів спіннінгування (кута викиду рідкого металу на утворюючу робочого елементу, швидкості витікання розплаву, лінійної швидкості робочого елементу, який обертається) на товщину тонких плівок евтектичного силуміну. Це дозволило отримувати тонкі плівки з керованою товщиною, фазовим складом і структурними характеристиками, як для рентгенографічних і електрономікроскопічних досліджень, так і для подальшої їх переробки у вироби.

Практичне значення роботи. Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що шляхом теоретичних узагальнень результатів комплексних досліджень, на підставі встановлених закономірностей структуроутворення евтектичного силуміну та випробування режимів переходу з рідкого стану в твердий в лабораторних умовах автором виявлено основні технологічні фактори, що впливають на рівень механічних властивостей евтектичного силуміну.

На підставі результатів теоретичних і експериментальних досліджень сформульовані рекомендації для ДП ВО „Південний машинобудівний завод ім. О.М. Макарова” з питань доцільності застосування термочасової обробки розплаву перед твердінням при виготовленні виробів зі сплаву АК12 (АЛ2) (витяг з протоколу технічної наради при головному металургу від 21 грудня  року).

Запропоновано:

- використання режимів термочасової обробки розплаву евтектичного силуміну (АК12), яке забезпечить підвищення рівня механічних властивостей виробів: тимчасового опору розриву при розтягу () – на 10…15відносне подовження () – в 1,5 рази.

Наукові результати також використовуються в учбовому процесі на кафедрі металознавства Національної металургійної академії України при виконанні студентами лабораторних, практичних робіт, дипломних проектів та випускних магістерських робіт (акт від 25 грудня 2006 року).

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи отримані здобувачем самостійно. При проведенні досліджень, результати яких опубліковані в співавторстві (у порядку, який приведений в списку опублікованих робіт), автору належать: [1, , ] – визначення мети і задач дослідження; на підставі аналізу літератури надання даних кристалічних ґраток чистих рідких Al та Si, а також пересиченого - твердого розчину та відомих проміжних метастабільних фаз; аналіз отриманих результатів та участь у формулюванні висновків за отриманими даними; [3] – проведення експериментів по виготовленню зразків евтектичних силумінів для проведення рентгеноструктурних досліджень та виконання розрахунків; аналіз отриманих результатів; [4] – визначення мети і задач дослідження; проведення експериментів по отриманню тонких плівок силуміну методом спінінгування; аналіз отриманих результатів; [5] – проведення експериментів по виготовленню клиноподібних зразків евтектичних силумінів для проведення металографічних та рентгенографічних досліджень; проведення вимірювань мікротвердості; аналіз отриманих результатів; [6, , ] – проведення патентного пошуку та виявлення аналогу і прототипу; формулювання суттєвих ознак, участь у написанні формули винаходу; [10] - проведення експериментів по виготовленню зразків тонких швидкозатверділих плівок, які отримані методом спінінгування, для вивчення їх фазового складу та динаміки розпаду; аналіз отриманих результатів; [11] – аналіз літератури по пошуку проміжних метастабільних фаз в сплавах системи Al–Si; [13] визначення мети і задач дослідження; проведення комплексних досліджень впливу параметрів спінінгування на товщину тонких швикозатверділих плівок; участь у написанні формул; формулювання висновків.

Апробація результатів дисертації. Матеріали роботи докладалися і були обговорені на Міжрегіональній науково-технічній конференції “Прогрессивные технологические процессы в литейном производстве” (м. Хабаровськ,  р.), Міжнародній конференції “Эвтектика” (м. Дніпропетровськ,  р.), Міжнародній конференції “Эвтектика” (м. Дніпропетровськ,  р.), II Міжнародній науково-технічній студентській конференції “Молода академія 2005” (м. Дніпропетровськ,  р.), Міжнародній конференції “Эвтектика” (м. Дніпропетровськ, 2006 р.), 7-th International Symposium of Croatia Metallurgical Society "Materials and Metallurgy" (Хорватія, 2006 р.).

Публікації. Матеріали дисертації опубліковані в 4 статтях у спеціалізованих фахових виданнях, додатково освітлені в 3 авторських свідоцтвах, 5 статтях у збірниках праць міжнародних конференцій та 1 повідомленні в тезах міжрегіональної конференції.

Структура дисертації. Робота складається з вступу, 6 розділів, висновків, списку літературних джерел з 139 найменувань і додатків. Основний зміст роботи викладено на 151 сторінках машинописного тексту. Робота містить таблиць – 12, рисунків – 46.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі наведено загальну характеристику задач, які пов'язані з уявленнями теорії металургійної спадковості (зв'язком будови рідкого та твердого стану) для формування прогнозованої і керованої структури та механічних властивостей евтектичного силуміну, обґрунтовано актуальність, сформульовано мету і задачі досліджень, освітлено наукову новизну і практичну цінність одержаних результатів.

У першому розділі наведено огляд літературних джерел з питань металургійної спадковості, перетворень в рідкій фазі металевих сплавів та сплавів системи Al–Si, високошвидкісного твердіння евтектичного силуміну, утворень в цій системі проміжних метастабільних фаз, впливу температури перегріву та швидкості охолодження його розплаву на структурні характеристики та механічні властивості сплавів після твердіння.

Вивчення робіт провідних вчених в області металознавства та будови металевої рідини: В.І. Данилова, А.Ф. Скришевського, О.В. Романової, а також колективів вчених під керівництвом О.Г. Ільїнського, Б.О. Баума, І.О. Новохатського, В.І. Ладьянова, А.М. Ватоліна та інших, присвячених дослідженню будови розплавів різних систем; перетворень, які відбуваються в розплавах та знання яких дозволяє керувати властивостями матеріалу в твердому стані. Особливості будови рідкої фази алюмінієвих сплавів та ролі явища металургійної спадковості при їх твердінні описані в роботах В.І. Мазура, П.С. Попеля, В.І. Нікітіна та інших. Разом с тим, відомостей про зв’язок будови рідкої та твердої фаз недостатньо, та, найчастіше, вони суперечливі.

На підставі аналізу літературних даних визначені етапи рішення актуальної науково-технічної задачі – підвищення рівня механічних властивостей евтектичного силуміну за умов керованого переходу з рідкого стану в твердий. Вони включають: дослідження впливу температури нагріву розплаву та швидкості охолодження на структурні характеристики та механічні властивості евтектичних силумінів; дослідження умов керованого нагріву та охолодження розплаву на параметри ближнього порядку кластерів; дослідження структуроутворення, фазового складу та кінетики розпаду тонких плівок, які швидко затверділи за допомогою метода спінінгування. Далі ці результати використано для розробки технологічних заходів по зміні структури евтектичного силуміну для надання йому підвищеного рівня механічних властивостей.

У другому розділі наведені дані про матеріал і методики дослідження. Матеріалом були зразки евтектичного силуміну АК12оч (СИЛ-00 в чушках, який містить 10,6%та домішки); АК12 (АЛ2 в відливках).

У роботі були використані сучасні методи дослідження: мікроструктурної металографії – для визначення структурних складових евтектичного силуміну АК12, стереометричної металографії – для кількісної оцінки геометричних параметрів структурних складових, скануюча електрона мікроскопія – для дослідження морфології евтектики, трансмісійна електрона мікроскопія і електронографія – для дослідження тонкої структури тонких швидкозатверділих плівок та їх фазового складу, рентгеноструктурний – для ідентифікації метастабільних проміжних фаз за їх кристалоструктурними характеристиками.

Рентгенодифракційне дослідження рідкої фази евтектичного силуміну проводили на високотемпературній рентгенівській установці в лабораторії фізики рідких металів ІМФ НАН України за режимами. Дифрактограми рідкого стану силуміну, що досліджували, були отримані за допомогою високотемпературного рентгенівського -дифрактометру та камери оригінальної конструкції у вакуумі  Па.

Швидкозатверділі тонкі плівки були отримані двома способами: по методиці рамок та за допомогою розробленого та удосконаленого пристрою 6 для методу спінінгування. Це дало змогу отримувати тонкі швидкозатверділі плівки керованої товщини для рентгенографічних та електрономікроскопічних досліджень.

Для запобігання розпаду проміжних метастабільних фаз в твердому стані в процесі дослідження при визначенні фазового складу тонких швидкозатверділих плівок, які отримані методом спінінгування, була сконструйована та виготовлена оригінальна низькотемпературна приставка до рентгенівського дифрактометру 7 і удосконалена методика збереження тонких плівок.

У третьому розділі вивчено вплив температури ізотермічної витримки розплаву та швидкості охолодження на параметри структурних складових та деякі механічні властивості евтектичного силуміну після твердіння.

Вплив структурного стану розплаву та швидкості охолодження на структуру сплаву оцінювали по структурі зразків, які були отримані при твердінні розплаву в масивному мідному кокілі клиноподібної форми. Температуру нагріву сплаву змінювали в інтервалі 640...920 °С з кроком 10...50 °С, тривалість ізотермічної витримки складала 15 хвилин.

В експериментах виявлене наступне. В зразках, які затверділи при малих переохолодженнях (незалежно від температури нагріву розплаву), отримана двофазна крупнозерниста структура грубого конгломерату фаз.

Мікроструктура клиноподібних зразків неоднорідна по їх висоті і представлена різними структурними складовими. Це дендрити - твердого розчину, евтектична складова з двома типами евтектик, які відрізняються ступеню диференційованості і кількістю кремнієвої фази (грубодиференційована і тонкодиференційована), в деяких зразках присутні кристали кремнію.

В клиноподібних зразках, які були отримані за умов нагрівання сплаву до температур 720, 780, 830 °С, металографічно зафіксовано зміну морфології фаз (по всій висоті відливки), висококремнієва фаза в тонкодиференційований евтектиці має в перерізі округлу форму. Кількість дендритів - твердого розчину збільшується, а їх розмір зменшується. Виявлено стрибкоподібне порушення монотонності механічних властивостей і структурних параметрів в залежності від температури нагріву та швидкості охолодження для структурних складових сплаву.

З підвищенням швидкості охолодження змінюються параметри структурних складових: об'ємна доля фаз, ступень диференційованості евтектики, міжпластинкова відстань в евтектиках. Збільшення швидкості охолодження розплаву збільшує вміст висококремнієвої фази в евтектиці від 12% (в рівноважній евтектиці Al-Si) до 67…69% при швидкості охолодження 0,3 °С/с або до 55…58% при швидкості охолодження 103 °С/с. Це явище пояснюється тим, що нерівноважна евтектика разом з - твердим розчином та кремнієм може включати також і метастабільні проміжні фази.

Температура нагріву початкового розплаву перед твердінням впливає не тільки на тип евтектики, яка сформувалася, її морфологію та ступень диференційованості, але і на такі параметри структурних складових зливків, як об'ємна доля фаз, міжпластинкова відстань в евтектиках.

У четвертому розділі проведено дослідження впливу температури ізотермічної витримки розплаву евтектичного силуміну на параметри ближнього порядку структурних зон рідкої фази.

За результатами дифракційних досліджень рідкого евтектичного силуміну побудовані функції радіального розподілу атомів (ФРРА). Положення першого максимуму визначає ймовірну міжатомну відстань, його висота пропорціональна щільності упакувань в розплаві, площа під першим максимумом при симетричному виділенні пов'язана з координаційними числами структурних складових розплаву. Зміни значень структурних параметрів кластерів розплаву, що спостерігалися в інтервалі температур 720...900 °С дорівнюють: для – 28%, – 1,8%, – 25%. Така значна різниця структурних параметрів при невеликому підвищенні температури свідчить про значну зміну структурного стану розплаву в інтервалі 720...900 °С, причому найбільші зміни відбуваються поблизу температур 720 і 830 °С.

Для з’ясування природи змін будови розплаву, що спостерігалися, були використані модельні уявлення із залученням даних по фазовому складу сплаву, виходячи зі стабільної та метастабільної діаграми стану системи Al-Si. При кількісних розрахунках були використані дані чистих рідких Al та Si, а для якісних оцінок були залучені літературні дані кристалічної структури метастабільних проміжних фаз: ,ж і пересиченого - твердого розчину (з 11%При розрахунках виходили з двох припущень: мікрооднорідної будови розплаву (статистичний розподіл атомів Al і Si або типу пересиченого твердого розчину) та мікронеоднорідної будови (типу квазіевтектики, структурні складові якої можуть суттєво відрізнятися як за складом, так і за атомною будовою).

При ступеневому підвищенні температури від 720 °С до 900 °С (рис.1, а) зафіксовані такі зміни будови рідкого сплаву. При 720 °С рідкий сплав характеризується мікронеоднорідною будовою квазіевтектичного типу. Структурними складовими квазіевтектики є кластери двох типів: перші складаються, переважно, з атомів алюмінію з упакуванням, яке подібне дещо спотвореній ГЦК ґратці, і другі – з атомів кремнію з характерним для рідкого кремнію типом упакування атомів. При 780 і 830°С рідкий сплав характеризується квазіевтектичним типом будови; складовими квазіевтектики є кластери двох типів: перші складаються, переважно, з атомів алюмінію з упакуванням, яке подібне дещо спотвореній в сторону тетрагональності ГЦК ґратки; другі складаються з атомів Al і Si, упакування яких характерно для метастабільної - фази з тетрагональною ґраткою. При температурі 900 °С тенденція до більш рівномірного розподілу атомів Si посилюється, будова розплаву стає більш мікрооднорідною.

При зйомці дифрактограм по другому варіанту ізотермічних режимів проведення досліджень (рис. 1, б) в кожному випадку брали новий вихідний зразок. Структура рідких сплавів при температурах 710 °С і 720 °С ідентична; мікрооднорідна будова розплаву характеризується наявністю у ньому кластерів двох типів, перші з яких складаються переважно з атомів алюмінію, другі – з атомів кремнію. Експериментальні дані, які були отримані при температурі 730 °С, суттєво відрізняються від отриманих при попередніх температурах. Поряд з кластерами, які характерні для 710 °С, є кластери з атомів Al і Si, які мають різний склад і відповідають по типу упакування атомів структурам типу і ж  фаз. При всіх температурах (770 °С, 780 °С, 790 °С) структурний стан розплавів однаковий і складається з кластерів атомів алюмінію та атомів двох сортів. Тип упакування в останніх подібний будові кришталевої - фази та кластерів з атомів кремнію при упакуванні типу ПК.

Таким чином, при ступеневому нагріві досліджуваного рідкого сплаву від 720 °С до 900 °С з ізотермічною одногодинною витримкою при кожній температурі дослідження (720 °С, 830 °С, 900 °С) спостерігається поступове мікророзчинення кремнію, яке веде до більш рівномірного розподілу атомів кремнію в об’ємі розплаву. Найбільш інтенсивно цей процес протікає при температурах 780 °С та 830 °С.

При низькій температурі (720 °С) мікронеоднорідність розплаву обумовлена тим, що в ньому є, в основному, два типу кластерів: один з атомів алюмінію (можливо, з розчиненою у них невеликою кількістю кремнію типу - твердого розчину) та другий, якій складається, переважно, з атомів кремнію з типовим для рідкого кремнію упакуванням атомів. З підвищенням температури спостерігається утворення кластерів, які складаються з атомів обох сортів – Al та Si, причому, вміст кремнію в таких кластерах значний. Вони мають тип упакування атомів, подібний у просторовому розташуванню атомів структурі метастабільної проміжної Al-Si фазі, тетрагональної сингонії. Найбільш імовірно, що розподіл атомів в таких кластерах подібний атомній структурі кришталевої - фази.

При встановленні заданої температури безпосередньо після плавлення зразка в розплаві зберігається деяка частина кластерів, які складаються, переважно, з атомів кремнію, навіть при перегріві на 200 °С вище температури ліквідус. Напевно, структурні зміни в розплаві, які пов’язані з перерозподілом атомів кремнію, залежать не тільки від температури, а також від часу витримки у рідкому стані.

Короткочасний перегрів розплаву до 900 °С (на 15 хв.) з наступним зниженням температури на 100...200 °С, в значній мірі, сприяє не тільки мікророзчиненню кремнію з утворенням багатих кремнієм кластерів, але й веде до встановлення міцних спрямованих зв’язків між різносортними атомами, які подібні по упакуванню з'єднанням типу силіцидів.

У п'ятому розділі проведено дослідження впливу температури розплаву на фазовий склад швидкозатверділих тонких плівок. Результати рентгеноструктурного аналізу розплавів порівнювали з інформацією, яка була отримана при рентгеноструктурному аналізі продуктів високошвидкісного твердіння рідких силумінів.

За даними диференціально-термічного аналізу розпад та утворення проміжних метастабільних фаз відбувається і при низьких температурах. Тому зйомки тонких плівок проводили в низькотемпературній рентгенівській камері, яка була змонтована на гоніометричній приставці. Дифрактограми знімали з тонких плівок, які були отримані швидким охолодженням з температур 780 та 830 °С методом спінінгування.

За результатами розшифровки лінії дифрактограми віднесені до чотирьох фаз: два твердих ГЦК і ОЦК розчини, - фаза з тетрагональною ґраткою та - фаза з гексагональною ґраткою.

Підвищення температури нагріву розплаву до 830°С не змінює фазовий склад швидкозатверділих плівок, однак впливає на параметри фаз. Параметр ґратки ГЦК твердого розчину збільшується, ОЦК твердого розчину – зменшується. Знижуються також ступінь тетрагональності () метастабільних фаз.

Тверда метастабільна проміжна - фаза з тетрагональною упаковкою успадковує параметри ближнього порядку кластерів рідкої фази з упаковкою по типу тетрагональної.

З ціллю визначення термодинамічної стійкості метастабільних фаз в ході витримки при кімнатній температурі були проведені повторні зйомки швидкозатверділих з температури 780 °С тонких плівок через 70 хвилин, двоє діб, шість діб, для тонких плівок швидкозатверділих з температури 830 °С проведені повторні зйомки через 70 хвилин в низькотемпературній камері при кріотемпературах.

Після двох діб зберігання при кімнатній температурі швидкозатверділих тонких плівок з температури 780 °С на дифрактограмі зникали лінії ОЦК - твердого розчину та лінії метастабільної - фази. Лінії - фази зміщувались, зменшувалась їх інтенсивність. Зйомка зразків після шести діб зберігання показала наявність лінії кремнію, ГЦК - твердого розчину та - фази зі зміненими параметрами ґратки. Для тонких плівок швидкозатверділих з температури 830 °С інтенсивність ліній інтерференції (100) – - фази і (101) – - фази збільшується в декілька разів. Інтерференції ліній (101) – - фази і (110) – ОЦК - твердого розчину залишились без змін, а лінії (110) – - зменшились у сім разів.

Визначення долі фаз у сплаві, що досліджували, та їх зміну в ході тривалої витримки при кімнатній температурі проводили методом експресного фазового аналізу [3] (табл.). Проведення повторних зйомок дозволило зробити висновок про ступінь стабільності метастабільних проміжних фаз. Відносні границі стійкості ОЦК– твердого розчину та - фази визначені по зменшенню інтенсивностей ліній на дифрактограмі після 70 хвилин зберігання та їх зникненню після 2 діб зберігання.

По присутності інтерференцій ліній - фази на дифрактограмі, яка була знята після 6 діб зберігання, можна говорити про її відносну стійкість. Це обумовлено присутністю в сплаві невеликої кількості заліза (0,17 …0,18яке за літературними даними є елементом-стабілізатором для даної фази.

При електронно-мікроскопічних дослідженнях в трансмісійному режимі тонких плівок методом мікродифракції ідентифікується алюміній і кремній. Підвищення швидкості охолодження розплаву (103°С/с…106°С/с) при збільшенні переохолодження розплаву змінює механізм твердіння фаз від роздільного (у вигляді поліедрічних зерен) до сумісного (кооперативного) росту. В температурному інтервалі, який досліджували, розплав характеризується малою ступеню мікрогетерогенності. Це дозволяє отримувати в твердому стані тонкодиференційовану евтектику.

У шостому розділі проведено дослідження впливу термочасової обробки розплаву на структуру та механічні властивості силуміну АК12АЛ2).

Режим термочасової обробки розплаву вибрано на основі результатів досліджень, які проведені в даній роботі. Ізотермічні витримки розплаву проводили при температурах структурних перебудов в розплаві (720, 780, 830 °С), які характерні для досліджуваного сплаву АК очСИЛ ) та в інтервалах між цими температурами (640, 700, 760, 800, 900 °С). Швидкість твердіння зразків в металевому кокілі складала 102 °С/с. В зразках, які затверділи після нагріву розплаву до температур 720, 780, 830 °С, об'ємна доля тонкодиференційованої евтектики та доля висококремнієвої фази в ній максимальна. Морфологія кремнієвого каркасу тонкодиференційованої евтектики змінюється. В перерізі на шліфі він має округлий вигляд, а пластинчата грубодиференційована евтектика подрібнюється. Ці зразки мають структуру, яка практично не відрізняється від структури сплавів, які модифіковані різними добавками. В зразках, які отримані твердінням розплаву за умов його нагріву до температур 640, 700, 760, 800, 900 °С, зменшується об'ємна доля висококремнієвої фази на ділянках евтектики з тонкою диференційовкою і зменшується її об'ємна доля в структурі. З'являються ділянки евтектики з дуже низькою ступеню кооперативністі росту фаз, які подібні структурі грубого конгломерату.

Ефективність термочасової обробки розплаву також оцінювали по зміні механічних властивостей зразків досліджуваного сплаву. Механічні випробування литих зразків зі сплаву АК12(АЛ2) показали, що при температурах нагріву, близьких до температур структурних перебудов в рідкому стані, відбувається стрибкоподібний зріст механічних властивостей відливок, причому зростають як міцність (,), так і пластичність ().

Стрибкоподібне збільшення міцності зразків при температурах нагріву розплаву 720, 780, 830 °С пов’язано, по  перше, зі стрибкоподібним зміцненням - твердого розчину кремнію в алюмінії, по  друге, з появою нової високоміцної структурної складової – тонкодиференційованої евтектики, яка містить висококремнієву фазу в кількості, яка перевищує рівноважне та має вигляд волокон.

Підвищення пластичності відливок при стрибкоподібному зростанні їх міцністних властивостей у відповідності з теорією армованих матеріалів пояснюється стоншенням високоміцної армованої фази при появі в структурі зливка тонкодиференційованої евтектики.

Таким чином, використовуючи обробку силумінів, що полягає в нагріві їх до визначених температур, які вибирають з урахуванням структурних перебудов в розплаві, можна значно підвищити механічні властивості, а також службові властивості виробів з цих сплавів.

На основі експериментальних даних, які отримані в роботі про вплив температури та швидкості охолодження розплаву на структуру, фазовий склад і властивості силуміну АК12АЛ2) для отримання якісних відливок на „Південному машинобудівному заводі ім. О.М. Макарова” рекомендовано розплав перед заливкою піддавати термочасовій обробці, яка полягає в нагріві до температури 780 °С, витримці при цій температурі протягом 15…20 хвилин, підохолодженні до температури 730 °С і витримки 5 хвилин.

Представлені експериментальні результати показують, що умови нагріву впливають на стан рідкого металу, процес його твердіння, структуру та властивості твердого металу. Отже, удосконалюючи термочасовий режим плавки, можна керувати формуванням рівня властивостей виробів, які отримують.

ВИСНОВКИ ПО РОБОТІ

В дисертації викладені теоретичне узагальнення і нове вирішення науково-технічної задачі, яка полягає в виявленні закономірностей структуроутворення евтектичних силумінів при керованому переході з рідкого стану в твердий. Це дозволяє отримати вироби з силуміну, який досліджували, з необхідними структурними характеристиками та підвищеним рівнем механічних властивостей.

1. Аналіз літератури свідчить про те, що розбудова теорії металургійної спадковості про зв’язок між структурою рідкого та твердого стану, впливу температури нагріву розплаву та швидкості його охолодження на структурні характеристики, фазовий склад та механічні властивості евтектичного силуміну є актуально задачею.

2. Металографічним методом, в тому числі – методом стереометричної металографії та електронної мікроскопії і електронографії встановлено наступні закономірності формування структури евтектичного силуміну під впливом температури нагріву розплаву та швидкості його охолодження:

- в структурі клиноподібних зразків евтектичного силуміну утворюються дві евтектики, які мають різну об'ємну долю висококремнієвої фази та різну диференційованість фазових складових. Це пояснюється тим, що твердіння сплаву за даних умов відбувається згідно з діаграмою метастабільних фазових рівноваг в системі Al ;

- при температурах нагріву розплаву 720, 780 та 830 °С перед твердінням показано стрибкоподібне порушення монотонності механічних властивостей і структурних параметрів евтектичного силуміну в залежності від температури нагріву та швидкості охолодження сплаву, а також – зміна морфології фаз. Це пов’язано зі структурними перебудовами в рідкій фазі, за якими змінюється характер межчасткової взаємодії алюмінію і кремнію та, імовірно, утворюються кластери зі стехіометрією вже раніш вивчених проміжних метастабільних фаз;

- збільшення швидкості охолодження розплаву збільшує вміст висококремнієвої фази в евтектиці від 12% (в рівноважній евтектиці Al – до 67 … % при швидкості охолодження 0,3 °С/с або до 55 … % при швидкості охолодження 103 °С/с. Це явище пояснюється тим, що нерівноважна евтектика разом з - твердим розчином та кремнієм може включати також і метастабільні проміжні фази;

- збільшення швидкості охолодження розплаву утруднює дифузійні переноси та сприяє утворенню тонкодиференційованих евтектичних структур;

- тонка структура евтектичного силуміну, яка вивчена за допомогою електронної мікроскопії і електронографії тонких плівок, включає поліедричні зерна евтектичних фаз (алюмінію та кремнію) при швидкості охолодження розплаву 103 °С/с; при збільшенні швидкості охолодження до 105 °С/с утворюються тонкоперемежовані гілки кремнію і алюмінію, які формують структуру с високим ступенем кооперативності. Це свідчить про зміну механізму твердіння рідкої фази під впливом швидкості охолодження.

3. На підставі даних прямого дифракційного методу дослідження рідкої фази евтектичного силуміну (АК12оч), які було проведено в перебігу ізотермічних витримок розплаву при температурах 720, 780, 830, 900 °С та вище (+10 °С)і нижче (10 °С) цих температур, зафіксовано і встановлено наступне:

- кластери різнойменних атомів (Al, Si) мають тип упакування, подібний по просторовому розташуванню атомів структурі метастабільної проміжної - фазі тетрагональної сингонії;

- характер взаємодії атомів в кластерах силуміну, який досліджували, змінюється від переважної взаємодії однойменних атомів Si (при 720 °С) до взаємодії різнойменних атомів (при 780 °С та вище). Після попереднього нагріву до 900 °С та ізотермічних витримок при 720+10 °С фіксується переважна взаємодія різнойменних атомів Al яке є стійкою протягом 40 хвилин;

- параметри ближнього порядку кластерів змінюються стрибкоподібно при температурах 720 °С, 830 °С та незначно при 780 °С, що є суттю структурних перетворень в розплаві. В температурних інтервалах 730...780 °С та 840...900 °С зміна структури кластерів в розплаві є незначною.

4. Для удосконалення методики спінінгування та методики рентгеноструктурного аналізу при кріотемпературах сконструйовано, виготовлено та використано в процесі дослідження установку для отримання швидкозатверділих плівок керованої товщини та установку для дослідження фазового складу тонких плівок в широкому інтервалі температур включаючи кріогенні. Новизна розробок захищена трьома авторськими свідоцтвами.

5. На основі даних рентгеноструктурних досліджень тонких плівок евтектичного силуміну, які отримано методом спінінгування, встановлено наступне:

- фазовий склад швидкозатверділих плівок складається з двох ОЦК та ГЦК твердих розчинів, а також метастабільних проміжних фаз: тетрагональної - фази та гексагональної - фази;

- тверда метастабільна проміжна - фаза з тетрагональною упаковкою успадковує параметри ближнього порядку кластерів рідкої фази з упаковкою по типу тетрагональної. Що встановлено вперше для евтектичного силуміну;

- підвищення температури нагріву розплаву від 780 °С до 830 °C не змінює фазовий склад швидкозатверділих тонких плівок, але впливає на параметри фаз. Параметр ГЦК твердого розчину збільшується, ОЦК твердого розчину – зменшується. Знижується ступінь тетрагональності () метастабільних проміжних фаз. Це можливо пов’язано зі зміною стехіометрії кластерів рідкої фази евтектичного силуміну;

- тривала витримка при 20 °C швидкозатверділих тонких плівок евтектичного силуміну виявляє кінетику розпаду пересиченого ОЦК твердого розчину та метастабільної проміжної - фази, та зменшення тетрагональності метастабільної проміжної - фази.

6. На основі експериментальних досліджень показано, що формування структури евтектичного силуміну в твердому стані відбувається під впливом початкової будови рідкого стану сплаву перед твердінням, яка може змінюватися в результаті термочасової обробки розплаву. Це підтверджує відомі положення теорії металургійної спадковості та конкретизує ці положення для евтектичного силуміну.

7. Механічні випробування литих зразків зі сплаву АК12 (АЛ2) показали, що при температурах нагріву, які відповідають температурам структурних перебудов в рідкому стані, відбувається стрибкоподібний ріст механічних властивостей відливок, причому, зростають як міцнісні ( до 200 МПа), так і пластичні властивості ( до 4).

8. На підставі теоретичних розробок та експериментальних досліджень запропоновано використання термочасової обробки розплаву перед твердінням при виготовленні виробів зі сплаву АК12 (АЛ2). Ці рекомендації прийняті до застосування при розробці технологічних процесів виготовлення виробів на ДП ВО „Південний машинобудівний завод ім. О.М. Макарова” (витяг з протоколу технічної наради при головному металургу від 21 грудня 2006 року).

9. Результати роботи знайшли відображення в учбовому процесі на кафедрі металознавства Національної металургійної академії України. Вони використовуються в курсах лекцій, практичних та лабораторних заняттях з дисциплін: „Перспективні напрями у матеріалознавстві”, „Електрона мікроскопія”, „Фізика конденсованого стану”, „Металознавство”, а також при виконанні студентами дипломних проектів та випускних магістерських робіт (акт від 25 грудня  року)

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНИЙ У РОБОТАХ:

1. Шпортько А.Ю., Мазур В.И., Слуховский О.И. Влияние температурной обработки расплава Al  ,6на параметры ближнего порядка жидкой фазы. Сообщение 1 Теория и практика металлургии. – 2005. –№ . – С. .

2. Шпортько А.Ю., Мазур В.И., Слуховский О.И. Влияние температурной обработки расплава Al  ,6на параметры ближнего порядка жидкой фазы. Сообщение 2 Теория и практика металлургии. – 2005. –№ . – С. 48-52.

3. Руфанов Ю.Г., Шпортько А.Ю. Экспрессный количественный фазовый анализ Заводская лаборатория. Диагностика материалов. – 2002. – Т. , № . – С. .

4. Мазур В.И., Шпортько А.Ю., Демченко Е.И. О получении пересыщенных твердых растворов в силуминах методом спиннингования Теория и практика металлургии. – 2007. –№ . – С. .

Додатково отримані результати відображені у публікаціях:

5. Шпортько А.Ю., Мазур В.И., Асланов Х.С., Раджабов Р.М. Исследование влияния температуры и скорости охлаждения расплава на структуру и фазовый состав отливок Al  Si сплавов Тезисы докладов Межрегиональной научно-технической конференции "Прогрессивные технологические процессы в литейном производстве". – Хабаровск, 1991. – С. .

6. Устройство для закалки расплавленных металлов: А.с. №1692726 СССР, МКИ  В  /06 / Мазур В.И., Руфанов Ю.Г., Шпортько А.Ю., Мазур А.В., Асланов Х.С. (СССР). – № /02: Заявл. 25.01.89; Опубл. 23.11.91, Бюл. № . – 4 с. ил.

7. Способ получения металлических пленок: А.с. №1696111 СССР, МКИ  В  /06 / Мазур В.И., Руфанов Ю.Г., Шпортько А.Ю. (СССР). – № /02: Заявл. 25.01.89; Опубл. 07.12.91, Бюл. № . – 2 с.

8. Низкотемпературная приставка к рентгеновскому дифрактометру: А.с. №1784885 СССР, МКИ   / Мазур В.И., Руфанов Ю.Г., Шпортько А.Ю. (СССР). – №4814014/25: Заявл. 13.04.90; Опубл. 30.12.92, Бюл. № . – 4 с. ил.

9. Романова А.В., Слуховский О.И., Шпортько А.Ю., Мазур В.И. О структурной наследственности расплавов Al - 10,6 Научные труды международной конференции "Эвтектика IV". – Днепропетровск, ДНВПСистемні технології", 1997. – С. .

10. Шпортько А.Ю., Мазур В.И., Руфанов Ю.Г. Распад метастабильных фаз в закаленных пленках сплава Al  ,6 Научные труды международной конференции "Эвтектика IV". – Днепропетровск, ДНВПСистемні технології", 1997. – С. .

11. Мазур В.И., Мазур А.В., Шпортько А.Ю. О метастабильных фазах в системе Al  Научные труды международной конференции "Эвтектика – Днепропетровск, ОАО РІА "Трейс", 2000. – С. .

12. Шпортько А.Ю. О структуре закаленных пленок сплава Al  ,6 Научные труды международной конференции "Евтектика– Днепропетровск, ОАО РІА "Трейс", 2000. – С. .

13. Мазур В.И., Шпортько А.Ю., Демченко Е.И., Руфанов Ю.Г. Затвердевание тонких пленок при сверхбыстром охлаждении расплавов Теория и практика металлургии. – Научные труды международной конференции "Эвтектика– 2006. – № . – С. .

АНОТАЦІЯ

Шпортько Г.Ю. Закономірності структуроутворення евтектичного силуміну з підвищеним рівнем механічних властивостей після керованого переходу з рідкого стану в твердий. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.01 – Металознавство і термічна обробка металів. – Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2007.

Дисертація спрямована на підвищення рівня механічних властивостей силумінів.

В роботі виконано аналіз зарубіжної та вітчизняної літератури з питань перетворень в металевих розплавах евтектичних силумінів (теорія металургійної спадковості), їх високошвидкісного твердіння, утворення в системі Al-Si метастабільних проміжних фаз, впливу температури перегріву та швидкості охолодження його розплаву на структурні характеристики та механічні властивості сплавів після їх твердіння.

Досліджено закономірності формування структури евтектичного силуміну в литому стані в залежності від температури нагріву розплаву та швидкості його охолодження.

Досліджено структуру рідкого евтектичного силуміну та проведено дослідження впливу температури ізотермічної витримки розплаву (термочасової обробки) на параметри ближнього порядку структури кластерів.

Досліджено закономірності твердофазних перетворень швидкозатверділих тонких плівок, які отримані із розплаву з різним нагрівом над лінією ліквідус методом спінінгування.

Проведено дослідження впливу термочасової обробки розплаву на структуру та механічні властивості силуміну АК12АЛ2).

Ключові слова: евтектичний силумін, структурний стан розплаву, кластери, високошвидкісне твердіння, спінігування розплаву, тонкі плівки, метастабільні проміжні фази, механічні властивості.

АННОТАЦИЯ

Шпортько А.Ю. Закономерности структурообразования эвтектического силумина с повышенным уровнем механических свойств после управляемого перехода из жидкого состояния в твердое. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.01 – Металловедение и термическая обработка металлов. – Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2007.

Диссертация направлена на повышение уровня механических свойств силуминов.

В работе выполнен анализ зарубежной и отечественной литературы по вопросам превращений в металлических расплавах эвтектических силуминов (теория металлургической наследственности), их высокоскоростного затвердевания, образования в системе Al-Si метастабильных промежуточных фаз, влияния температуры перегрева и скорости охлаждения его расплава на структурные характеристики и механические свойства сплавов после их затвердевания.

Изучены закономерности формирования структуры. Показаны скачкообразные изменения структурных характеристик и морфологии структурных составляющих, свойств эвтектического силумина в литом состоянии в зависимости от температуры нагрева