Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время в машино- и автомобилестроительных отраслях промышленности остро стоит вопрос об увеличении доли изделий из алюминиевых сплавов. Сплавы на основе системы Al-Si широко применяются в производстве литых изделий конструкционного и функционального назначения.
В производстве алюминиевых сплавов используются разнообразные шихтовые материалы, влияние структуры которых на структуру и свойства литых изделий практически не учитывается. Традиционные технологии получения, например, чушковых силуминов на большинстве заготовительных предприятий металлургического передела направлены, в основном, на обеспечение регламентируемого в ГОСТ 15 83 химического состава и чистоты сплавов по неметаллическим включениям. Однако, соблюдение только этих требований не обеспечивает получение благоприятной микроструктуры отливок и, как следствие, гарантированного уровня механических свойств.
Известно, что управление структурой и свойствами сплавов можно осуществлять, используя в шихте лигатуры с заданными структурными параметрами. Однако, в ГОСТ 53777-2010 на алюминиевые лигатуры регламентируются только их химический состав, чистота по неметаллическим включениям и внешний вид.
В связи с этим, актуальными становятся задачи по разработке комплексных технологий получения мелкокристаллических лигатур для алюминиевых сплавов, позволяющих целенаправленно формировать структуру и свойства литых изделий на всех этапах их производства. Данные задачи могут быть успешно решены за счет закладки требуемой структурной информации с помощью специальных способов обработки шихтовых материалов в системе «твердое-жидкое-твердое».
Работа выполнена в соответствии с тематическими планами СамГТУ на проведение фундаментальных исследований Минобрнауки РФ (2008-2010 гг.), Федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (конкурс «Проведение поисковых научно-исследовательских работ по направлению «Металлургические технологии» в рамках мероприятия 1. 3. 2. «Проведение научных исследований целевыми аспирантами»; государственный контракт № П181 от 20.04.2010 г.).
Основная часть исследований и экспериментов выполнена на базе «Центра литейных технологий» (ЦЛТ) и Центра коллективного пользования «Исследование физико-химических свойств веществ и материалов» ФГБОУ ВПО СамГТУ.
Целью работы является разработка технологий получения мелкокристаллических лигатур с использованием рециклируемых металлических отходов для производства алюминиевых сплавов конструкционного и функционального назначения.
Для достижения поставленной цели в работе решали следующие основные задачи:
Исследовать влияние специальных способов обработки шихтовых металлов в твердом, жидком и кристаллизующемся состояниях на структуру и свойства лигатур систем Al-Si, Al-Cu, Al-Fe.
Оценить степень эффективности специальных способов обработки шихтовых металлов и обосновать их комбинированное применение для получения мелкокристаллических лигатур.
Разработать технологические основы получения мелкокристаллических лигатур на основе алюминия. Провести испытания литейных силуминов АК5М, АК12М2, АК21М2,5Н2,5 (конструкционное назначение) и припоев Al-10,5%Si и А34 (функциональное назначение), изготовленных с использованием мелкокристаллических лигатур.
Научная новизна работы:
Уточнен механизм формирования кристаллов первичного кремния в структуре лигатуры марки AlSi20 при использовании разных способов обработки шихтовых металлов в твердом, жидком и кристаллизующемся состояниях.
Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена целесообразность использования в шихте порошкового кремния, обеспечивающего формирование дисперсных кристаллов Sin компактной морфологии в лигатуре марки AlSi20.
Установлена зависимость электропроводности лигатуры марки AlSi20 от размеров кристаллов Sin. Разработана номограмма для определения размеров кристаллов Sin по значениям электропроводности без металлографических исследований. Предложен безразмерный критерий КЭф для оценки эффективности способа обработки шихтовых металлов.
Доказано, что структурная информация, заложенная в лигатуры систем Al-Si, Al-Cu и Al-Fe специальными способами обработки, наследуется структурой конструкционных (АК5М, АК12М2, АК21М2,5Н2,5) и функциональных (Al-10,5%Si; А34) сплавов.
Установлено и теоретически обосновано положительное влияние деформированных отходов на структуру и свойства конструкционных (АК5М, АК12М2, АК21М2,5Н2,5) и функциональных (Al-10,5%Si; А34) сплавов.
Практическая ценность:
Предложены и обоснованы комбинированные способы обработки шихтовых металлов, обеспечивающие получение мелкокристаллического строения лигатур Al-Si, Al-Cu и Al-Fe.
Разработаны комплексные технологии получения мелкокристаллических лигатур AlSi20, чипс-лигатур и литых припоев марки А34 (А1-28%Cu-6%Si). На базе ЦЛТ СамГТУ организовано малотоннажное производство чипс-лигатур и литых припоев марки А34. Продукция поставляется на ЗАО ПФ «Плавка и пайка» (г. Москва), получены акты внедрения.
Результаты исследований включены в рекомендации по совершенствованию технологии алюминиевого литья ОАО «АВТОВАЗ» (г. Тольятти) и учтены при формировании финансируемой программы сотрудничества ОАО «АВТОВАЗ» с базовыми ВУЗами (проект «Разработка мелкокристаллических модифицирующих лигатур для алюминиевых сплавов»).
Результаты работы используются в учебном процессе ФГБОУВПО СамГТУ по дисциплинам «Цветные металлы» и «Наследственность в литых сплавах», а также при выполнении НИР.
Личный вклад автора состоит в теоретическом обосновании поставленных целей и задач, проведении экспериментальных исследований, анализе полученных результатов и их обобщении.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих российских и международных научно-технических конференциях и симпозиумах: VII международной научно-практической конференции «Прогрессивные литейные технологии» (г. Москва, 2007 г.); VII международном научно-техническом симпозиуме «Наследственность в литейных процессах» (г. Самара, 2008г.); VII научно-технической конференции «Молодежь в науке» (г. Саров, 2008г.); XV Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (г. Кемерово, 2009г.); II научно-практической конференции «Заготовительные производства предприятий Волго-Вятского региона» (г. Нижний Новгород, 2010г.); VI международной научно-практической конференции «Прогрессивные литейные технологии» (г. Москва, 2011 г.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 19 научных работ в журналах и сборниках трудов российских и международных научно-технических конференций и симпозиумов, в том числе 8 в изданиях из перечня ведущих научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ; получено положительное решении о выдаче патента на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов и приложений. Диссертация изложена на
180 страницах машинописного текста, содержит 55 рисунков, 40 таблиц, а также список литературы из 153 наименований.
На защиту выносятся следующие положения:
Комбинированные способы обработки шихтовых металлов в твердом, жидком и кристаллизующемся состояниях.
Технологии получения мелкокристаллических лигатур систем Al-Si, Al-Cu, Al-Fe.
Влияние мелкокристаллических лигатур на структуру и свойства сплавов конструкционного (силумины - АК5М, АК12М2, АК21М2,5Н2,5) и функционального (припои - А34, Al-10,5%Si) назначения.
