Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время является общепризнанным наличие взаимосвязи жидкого и твердого металлических состояний. Вследствие этого, одним из эффективных путей повышения качества литого металла является целенаправленное формирование структуры жидких металлов путем их нагрева до оптимальных температур. Однако, широкое освоение и использование потенциальных возможностей этого способа сдерживается противоречивостью накопленных экспериментальных данных исследований структуры и свойств расплавов, теоретических и модельных представлений о строении металлических жидкостей, а также о степени передачи генетических признаков от расплава к литому металлу. Систематические разработки этих вопросов несомненно имеют важное научное и прикладное значение.
Цель и задачи работы. Цель работы - разработка эффективных способов повышения качества алюминиевых сплавов на основе исследования их строения и свойств в жидком состоянии.
В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:
-
Выбор оптимальных условий эксперимента при изучении структурно-чувствительных физико-химических свойств алюминиевых расплавов в широкой области температур.
-
Изучение особенностей проявлений термически стимулированных структурных превращений в жидких алюминии и сплавах на его основе.
-
Исследование природы и механизма структурных превращений в металлических расплавах.
-
Разработка научных принципов и технологических приемов повышения качества алюминиевых сплавов с использованием результатов физико-химических исследований расплавов.
Научная новизна. Сформулированы требования и оптимизированы условия для достоверного выявления "тонких" аномальных эффектов при изучении температурных зависимостей структурно-чувствительных свойств металлических жидкостей. Усовершенствованы методики измерений физико-химических свойств и исследований структуры расплавов и проведена оценка их метрологических возможностей.
Получены подробные экспериментальные данные по политермам ки-
нематической вязкости и плотности жидкого алюминия, а также расплавов на его основе (включая технические алюминиевые сплавы) в областях значительных их перегревов. Подтверждено существование ряда термических структурных превращений в жидком алюминии в широкой области температур. Уточнены значения отвечающих им температур. Впервые получены сведения о числе и температурах структурных превращений в расплавах модельных и технических алюминиевых сплавов в области от температуры ликвидуса до 1343 К. Показано, что термически стимулированные структурные превращения в металлических расплавах проявляются при определенных температурах на температурных зависимостях их свойств в виде аномальных скачкообразных изменений абсолютных величин физико-химических характеристик. Заключено, что аномальные изменения свойств и их температурных зависимостей обусловлены скачкообразными структурными изменениями в жидкости при соответствующих температурах.
Совместный анализ собственных и литературных данных позволил заключить, что указанные структурные изменения в жидком алюминии осуществляются путем скачкообразного изменения одного из параметров решетки кластеров при сохранении типа упаковки атомов в них. Обусловленные спецификой структурной микронеоднородности жидких металлов структурные переходы такого рода являются одной из разновидностей полиморфизма и относятся к политипическим. Установлено, что структурные превращения в расплавах модельных и технических сплавов протекают по такому же механизму, а температуры наблюдаемых аномалий зависят от содержания легирующих добавок в них.
Практическая значимость работы. Разработаны и апробированы основные технологические приемы термической обработки металлических расплавов на основе использования данных о структурных превращениях в них. Показаны возможности и определены резервы улучшения качества готового металла с помощью обработки его в жидком состоянии. Показано, что термообработка жидких технических алюминиевых сплавов позволяет измельчить структуру, повысить на 20-302 прочность и в 1,5-2 раза пластичность готового металла. Для ряда металлов и технических сплавов конкретные варианты термообработки их расплавов защищены двумя авторскими свидетельствами на изобретения.
Полученные сведения по физико-химическим характеристикам расплавов, данные по структуре, физико-механическим и другим свойствам алюминиевых сплавов оформлены в виде паспортов на вторичные силумины, выпускаемые в чушках. Представленные результаты
нашли применение при совершенствовании стандартов на литейные алюминиевые сплавы и при унификации марок сплавов, выплавляемых из лома и отходов.
Одна из практических разработок исследования внедрена с экономическим эффектом в сумме 77,4 тыс.руб. в (ценах 1990 г.). По данным ВНЖПИ способ термоциклирования металлических жидкостей внедрен на предприятиях Минавиапрома.
На защиту выкосятся:
-
Решения методических вопросов, обеспечивающих надежное выявление термических структурных превращений в металлических жидкостях при исследованиях температурных зависимостей их физико-химических свойств и структурных характеристик.
-
Результаты экспериментального изучения температурных зависимостей кинематической вязкости и плотности жидкого алюминия, а также рентгенографические данные исследования расплава алюминия.
-
Данные по исследованию кинематической вязкости и энергии активации вязкого течения модельных и технических расплавов на основе алюминия в широком диапазоне температур, результаты определения температур структурных превращений в них.
-
Результаты экспериментального изучения и трактовка природы и механизма структурных превращений в жидких алюминии и сплавах на его основе.
-
Научные принципы термического структурного модифицирования металлических расплавов и экспериментальные результаты оценки эффективности технологических способов повышения качества технических алюминиевых сплавов путем структурного модифицирования их в жидком состоянии.
Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены на: Всесоюзных конференциях по строению и свойствам металлических и шлаковых расплавов (г. Свердловск, 1978, 1980, 1983, 1986 гг.), Всесоюзном семинаре "Прогрессивная технология повышения качества отливок" (г. Киев, 1978 г.), Всесоюзных конференциях "Закономерности формирования структуры сплавов эвтектического типа" (г. Днепропетровск, 1982, 1986, 1997 г.), Всесоюзном семинаре "Микронеоднородность и межчастичные эффекты в металлических расплавах" (г. Одесса, 1981 г.), Республиканской научно-технической конференции "Высокоэффективные локальные методы обработки металлов давлением" (г. Краматорск, 1984 г.), Всесоюзном семинаре "Применение результатов физико-химических исследований металлических и шлаковых расплавов для разработки металлургических технологий" (г. Че-
лябинск, 1985 г.), Научно-техническом семинаре "Наследственность в литых сплавах" (г. Куйбышев, 1987 г. и 1993 г.).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 15 статей и сообщений, получено 2 авторских свидетельства на изобретения.
Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, 4 разделов, выводов по каждому разделу, основных результатов и выводов по диссертации и приложений. Диссертация изложена на 157 стр. машинописного текста, включающего 8 таблиц, 21 рисунок и приложения. В списке литературы приведено 205 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.