Микрогетерогенность и особенности кристаллизации  расплавов на основе алюминия (19.10.2009)

Автор: Чикова Ольга Анатольевна

Научная новизна

В работе впервые

1. В режиме нагрева и последующего охлаждения образца исследованы температурные зависимости вязкости расплавов Al-Si, Al-Ge, Al-Sn, Al-Fe, Al-Ni, Al-Co, Al-Cr, Al-Sc, Al-Mn, Al-Pb, Al-In, Ga-Pb и удельного электросопротивления расплавов Al-Si, Al-Sn, Al-Sc в интервале температур от точки ликвидус до 1100-1350?С.

2. Выявлены и систематизированы особенности температурных зависимостей кинематической вязкости и удельного электросопротивления, отвечающие необратимой гомогенизации расплавов.

3. По полученным результатам построены границы температурно-концентрационных областей существования микрогетерогенного состояния расплавов Al-Si, Al-Ge, Al-Sn, Al-Sc, Al-Mn, Al-In, Ga-Pb на диаграммах состояния соответствующих систем.

4. Обнаружена корреляция температуры, отвечающей необратимому изменению структурного состояния расплава, с фазовым составом исходного слитка.

5. Показано, что введение определенных количеств микродобавок поверхностно-активных веществ в микрогетерогенный расплав позволяет существенно снизить температуру гомогенизации.

6. Установлено, что гомогенизация металлической жидкости способствует существенному замедлению процесса макрорасслоения монотектических расплавов систем Al-Pb и Al-In при понижении температуры и формированию после кристаллизации структуры типа «замороженной эмульсии».

7. Исследовано влияние перегрева жидких сплавов с эвтектическим типом фазовых диаграмм Al-Si, Al-Ge, Al-Sn, Al-Fe, Al-Co, Al-Sc, Al-Zr, Al-Mn выше температуры перехода в гомогенное состояние на структуру твердого металла.

8. Впервые термодинамически строго обоснована возможность микрогетерогенного состояния в расплавах Al-Sn с неограниченной смешиваемостью компонентов. На поверхности свободной энергии ограниченной системы найден локальный минимум, соответствующий равновесию дисперсной частицы с дисперсионной средой. При нагревании расплава до температуры, близкой к точке ветвления температурных зависимостей вязкости, этот минимум исчезает, и гетерогенное равновесие становится невозможным.

9. На основе представлений теории Френкеля-Эйринга проведен анализ результатов вискозиметрического исследования расплавов простых эвтектик, представленных в экспериментальной части работы. Показано, что гомогенизация металлической жидкости приводит к уменьшению характерного размера дисперсных частиц от величин ?1-7 нм на порядок, что отвечает образованию однородного на атомном уровне раствора.

10. Оценены характерные времена расплавления и последующего растворения частиц различных металлов в расплаве алюминия. Аналитическое решение уравнения диффузии показало, что одной из причин длительного существования неравновесных микрогетерогенных состояний в жидких алюминиевых сплавах может быть аномально медленное растворение фрагментов тугоплавких металлов и их соединений. Численное решение этого же уравнения методом конечных элементов, с одной стороны, подтвердило правильность аналитического решения, а с другой,- показало возможность длительных релаксационных процессов и для легкоплавких металлов и полуметаллов.

Практическая ценность работы

1. Полученные экспериментальные данные о вязкости и электросопротивлении расплавов на основе алюминия могут быть использованы в качестве справочных данных.

2. Экспериментально определенные температурно-концентрационные границы областей существования микрогетерогенного состояния в изученных расплавах в совокупности с данными о влиянии гомогенизирующей обработки расплавов на структуру литого металла могут служить основой для разработки оптимальных технологических режимов выплавки алюминиевых сплавов.

3. На основании проведенных экспериментов разработан способ получения массивных образцов псевдосплавов на основе алюминия со структурой типа «замороженной эмульсии». Оригинальность способа защищена авторским свидетельством на изобретение.

4. Обнаруженное в работе влияние примесей поверхностно-активных металлов на температуру необратимого изменения структуры металлической жидкости позволяет во многих случаях заменить перегрев расплава более экономичным микролегированием.

5. Предложен новый способ выплавки гранулируемых алюминиевых сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu, дополнительно легированных цирконием и хромом. Оригинальность способа защищена авторским свидетельством на изобретение.

6.Определенные в работе температуры структурной перестройки промышленных расплавов на основе алюминия использованы в практике производства для:

- повышения пластичности при одновременном росте прочности сплавов системы Al-Si на ПО «Уральский турбомоторный завод»;

- оптимизации режима выплавки промышленно-значимых композиций систем Al-Fe, Al-Cr, Al-Zr, Al-Sc и сплавов Al-Cu-Mg, Al-Mg с добавками Mn, Sc, Zr на ОАО «Каменск-Уральский металлургический завод»;

- повышения жидкотекучести вторичного заэвтектического силумина до уровня первичных сплавов;

- уменьшения склонности лигатуры Al-Sn к расслоению при прокатке с водяным охлаждением на Верхне-Салдинском металлургическом производственном объединении.

7. Разработанные методы теоретического определения температур гомогенизации металлической жидкости дают возможность априорной оценки оптимальной температуры выплавки сплавов, для которых отсутствуют экспериментальные данные.

Автор защищает

1.Результаты исследования вязкости расплавов Al-Si, Al-Ge, Al-Sn, Al-Fe, Al-Ni, Al-Co, Al-Cr, Al-Sc, Al-Zr, Al-Mg, Al-Mn, Al-Pb, Al-In, Ga-Pb и удельного электросопротивления расплавов Al-Si, Al-Sn, Al-Sc, полученные в режимах нагрева и последующего охлаждения образцов.

2. Температурно-концентрационные границы областей существования микрогетерогенного состояния в системах Al-Si, Al-Ge, Al-Sn, Al-Sc, Al-Mn, Al-In, Ga-Pb и ряде промышленных композиций.

3. Опытные данные о влиянии перегрева расплавов с различными типами диаграмм состояния выше температуры гомогенизации на структуру слитка, формирующегося при охлаждении с умеренными (~1-100?С/с) скоростями.

4. Результаты изучения влияния различных факторов (микродобавки, температура и форма введения компонента в расплав, фазовый состав исходного слитка, микроструктура и фазовый состав лигатуры и т.п.) на температуру гомогенизации сплава в жидком состоянии и на его структуру и механические свойства после кристаллизации.

5. Термодинамическое обоснование возможности микрогетерогенного состояния бинарных металлических расплавов с неограниченной смешиваемостью компонентов в надликвидусной части диаграммы состояния.

6. Метод и результаты анализа результатов вискозиметрического исследования микрогетерогенных расплавов на основе представлений теории Френкеля-Эйринга, позволяющий оценить размеры дисперсных частиц и величину межфазного натяжения на их границах.

7. Метод и результаты оценки времени растворения шихтовых материалов в расплаве алюминия с учетом процессов на межфазной границе.

Выполнение работы

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на VI Всесоюзной конференции «Термодинамика и материаловедение полупроводников» (Москва, 1989г.); 5-м Всесоюзном совещании «Диаграммы состояния металлических систем» (Звенигород, 1989г.); научно-техническом семинаре «Ближний порядок в металлических расплавах и структурно-чувствительные свойства вблизи границ устойчивости фаз (Львов, 1988г.); 4-ом Межотраслевом научно-техническом семинаре «Наследственность в литых сплавах» (Куйбышев, 1990г.); 8th and 13th International Conferences on Liquid and Amorphous Metals (Austria, Wien, 1992, Ekaterinburg, 2007); V научно-технической конференции «Наследственность в литых сплавах» (Самара, 1993г.); Eighth International Conference on Rapidly Quenched and Metastable Materials (Japan, Sendai. 1993); VIII International Conference on High Temperature Materials Chemistry (Austria, Wien, 1994); International Conference «High Temperature Capillarity» (Slovakia, Bratislava, 1994); VIII, IХ, Х, XI и XII Всероссийских конференциях «Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов» (Екатеринбург, 1994г., 1998г., 2001г., 2004г., 2008г.); Fifth International Conference on quasicrystals (France, Avignon, 1995); Ninth International Conference on Liquid and Amorphous Metals (USA, Chicago, 1995); Российском семинаре «Структурная наследственность в процессах сверхбыстрой закалки расплавов» (Ижевск, 1995 г.); Ninth International Conference on Rapidly Quenched and Metastable Materials (Slovakia, Bratislava, 1996); 4-й и 5-й Международных конференциях по закономерностям формирования структуры сплавов эвтектического типа (Украина, Днепропетровск, 1997,2000); 3 Межвузовской Научно-техническая конференции «Фундаментальные проблемы металлургии» (Екатеринбург, 2003г.); II, III и IV Всероссийских научно-технических конференциях «Физические свойства металлов и сплавов» (Екатеринбург, 2003г., 2005г., 2007г.); Международной научно-техническая конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (Тольятти, 2003г.); Международной научно-техническая конференции «Эвтектика VI» (Украина, Днепропетровск, 2003); Юбилейной Всероссийской научной конференции «Герасимовские чтения» (Москва, 2003); VII, VIII и IX Российских семинарах «Компьютерное моделирование физико-химических свойств стекол и расплавов» (Курган, 2004 г., 2006г., 2008г.); 3 Российском совещании «Метастабильные состояния и флуктационные явления» (Екатеринбург, 2005г.); ХV и XVI Международных конференциях по химической термодинамике (Москва, 2005г., Суздаль, 2007г.); XI Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ (Санкт-Петербург, 2005); V семинаре СО РАН-УрО РАН «Термодинамика и материаловедение» (Новосибирск, 2005г.); ХVII Петербургских чтениях по проблемам прочности (Санкт-Петербург, 2007г.); VII Международном научно-техническом симпозиуме «Наследственность в литейных процессах» (Самара, 2008г.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, заключения, и списка используемой литературы. Объем работы 327 с., из них основной текст – 294 с., рисунков – 110, таблиц – 20, список литературы содержит 339 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проведен анализ экспериментальных свидетельств микрогетерогенности металлических расплавов. Рассмотрены теоретические подходы (кинетический и термодинамический) к обоснованию возможности существования микрогетерогенности расплавов с эвтектическим и монотектическим типами диаграмм состояния. На основе представлений о необратимом характере разрушения микрогетерогенности металлической жидкости обсуждается механизм влияния их температурно-временной обработки (ТВО) на микроструктуру слитков, формирующуюся после кристаллизации. На основании проведенного анализа сформулированы задачи и выбраны объекты исследования.

Во второй главе обоснован выбор вискозиметрии и кондуктометрии как основных методов исследования микрогетерогенности металлических расплавов, приведена их общая характеристика и оценена погрешность измерений.

На основе анализа литературных источников показано, что метод элементарной ячейки теории явлений переноса в неоднородной среде может быть использован для расчета объемной доли дисперсной фазы ? в микрогетерогенном расплаве. В частности, с помощью уравнений Эйнштейна и Тейлора, можно оценить ? по результатам вискозиметрического эксперимента. Уравнение Оделевского позволяет рассчитать ? по результатам резистометрического эксперимента. Расчеты показали, что разрушение микрогетерогенного состояния металлической жидкости при нагреве расплава до определенных температур, сопровождается уменьшением объемной доли дисперсной фазы ? практически до нуля. Следовательно, вискозиметрия и резистометрия могут использоваться в качестве индикаторов процессов, происходящих в микрогетерогенных расплавах при нагреве и охлаждении.

Вязкость измеряли методом затухающих крутильных колебаний тигля с расплавом (методом Швидковского) в его абсолютном варианте.


загрузка...