Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и постановка задачи.
1.1. Структурные элементы и свойства расплавов 9
1.2. Строение твердых литых сплавов и существующие методы изучения 16
1.3. Влияние фазового состава, структурных элементов и дефектов на изменение физико-механических свойств алюминиевых сплавов 23
1.4. Основные факторы, влияющие на структурообразование и свойства литых сплавов 27
1.5. Современные представления о наследственности в литых сплавах 31
1.6. Заключение и задачи работы 35
Глава 2. Методика проведения исследований.
2.1.Общая методика проведения работы 38
2.2. Методика приготовления сплавов 38
2.3. Металлографические исследования 41
2.4. Испытания литейных и физико-механических свойств 43
Глава 3. Систематизация структурных составляющих литых сплавов по иерархическим уровня
3.1. Управление структурно-иерархическими уровнями литых сплавов 50
3.2. Методология составления трехкомпонентной графической модели 67
3.3. "Литейный треугольник" Fe-C для стали и серого чугуна 69
3.4. Выводы 72
Глава 4. Управление структурой и свойствами литых бинарных сплавов системы Al-Cu
4.1. Исследование особенностей структурообразования бинарных сплавов в зависимости от скорости кристаллизации и определение стереометрических параметров структуры сплавов 74
4.2. Влияние химического состава и вида шихтовых материалов на структуру и свойства сплавов 82
4.3. Обсуждение полученных результатов 109
Глава 5. Управление структурой и свойствами сплавов системы Al-Si-Cu
5.1. Исследование особенностей структурообразования сплавов системы Al-Si в зависимости от скорости кристаллизации 111
5.2. Синтезирование из отходов сплавов типа силумин с улучшенными свойствами 117
5.3. Получение мелкокристаллического переплава 130
5.4. Исследование влияния мелкокристаллических модификаторов (переплав, лигатуры) на свойства сплава АК6М2 134
5.5. Обсуждение полученных результатов 1.5.6
Глава 6. Обобщение и практическое использование полученных результатов исследований.
6.1. Обобщение полученных результатов 160
6.2. Технико-экономическая эффективность внедрения результатов исследований
Общие выводы по работе
Литература
Приложения
- Строение твердых литых сплавов и существующие методы изучения
- Испытания литейных и физико-механических свойств
- Методология составления трехкомпонентной графической модели
- Влияние химического состава и вида шихтовых материалов на структуру и свойства сплавов
Введение к работе
Среди задач, которые предстоит решать в области литейного производства, Б.Б.Гуляев [ 1 ] отмечает расширение возможностей управления структурой сплавов для достижения требуемых свойств. На III съезде литейщиков России (г.Владимир, 1997г.) отмечалось, что важной задачей современного литейного производства остается получение отливок с оптимально высокими свойствами, минимальными затратами при соблюдении экологичности [ 2]. Алюминий и сплавы на его основе в настоящее время находят все более широкое применение в промышленности в результате наметившейся тенденции в автомобилестроении замены деталей из чугуна алюминиевыми вследствие их малого удельного веса и способности к рециклируемости.
Одним из резервов оптимизации структуры и улучшения литейных и физико-механических свойств литых алюминиевых сплавов является эффект металлургической наследственности. Решающий этап в его осуществлении заключается в передаче заложенной в шихте информации через жидкую фазу и ее реализации при затвердевании. Поэтому развитие концепции наследственности и ее подтверждение для литейных сплавов остается актуальной задачей. На параметры структуры жидкого и кристаллизующегося сплава оказывают влияние состояние исходной шихты и условия плавки: степень чистоты и измельченности структуры, добавки модификаторов, скорость плавки, величина перегрева, и другие факторы. Одновременное наложение нескольких факторов затрудняет установление наследственного эффекта.
На первом этапе в качестве объекта-были исследованы модельные бинарные сплавы нескольких систем на основе алюминия из первичных материалов, а затем готовили сплавы из металлов и отходов, прошедших специальную обработку. Степень эффективности применения мелкокристаллических отходов повышали за счет управления технологическими факторами, влияющими на наследственную передачу информации. Направленное изменение структур и свойств металлических расплавов с помощью внешних воздействий или заранее предусмотренных факторов и улучшение за счет этого физико-механических характеристик сплава -это важное техническое решение, открывающее новые возможности в литейном производстве.
Для углубления исследований и реализации их результатов был выбран литейный сплав АК6М2, предназначенный для производства детали "Головка блока цилиндров" автомобиля "АвтоВАЗ". Такой выбор объекта практического использования результатов исследований соответствует современным ресурсосберегающим тенденциям, сложившимся в промышленности, а также отвечает требованиям реального производства АО "АвтоВАЗ" по снижению общего брака выпускаемой продукции.
Совершенствование технологии современного изготовления отливок требует развития теоретических направлений. Теория литейных сплавов непрерывно дополняется; литейщикам приходится одновременно решать теплофизические, гидравлические, металловедческие, механические, химические и другие задачи.
В развитие указанных направлений внесли большой вклад отечественные ученые М.Б.Альтман, Н.Н.Белоусов, ААБочвар, А.Е.Вол, С.М.Воронов, Н.Г.Гиршович, Б.Б.Гуляев, В.И.Добаткин, М.Е.Дриц, В.С.Золоторевский, И.Ф.Колобнев, Г.А.Косников, О.Н. Магницкий, М.В.Мальцев, В.И.Никитин, И.И.Новиков, Н.С.Постников, И.Н.Фридляндер и ряд других ученых.
Усложнение технологических процессов, вызванное повышением требований к литым изделиям, обуславливает ужесточение контроля структуры сплавов и вызывает необходимость в углубленных исследованиях взаимосвязи их строения со свойствами. Структуры промышленных литейных сплавов достаточно изучены, однако многие вопросы продолжают оставаться открытыми или же, еще не поставлены. Проблема представления взаимосвязи структуры и свойств литых сплавов в единой форме является также недостаточно исследованной. В литературе встречаются разрозненные сведения о взаимосвязи как структуры со свойствами, так и самих свойств, например, прочности с твердостью, электропроводностью для групп сплавов; некоторые группы сплавов остаются неизученными. К тому же интерпретация результатов наблюдения структуры разными исследователями не всегда однозначна и требует дополнительного рассмотрения.
Учитывая возрастающее применение алюминиевых сплавов, необходимы обобщение и систематизация имеющегося материала по свойствам и структуре сплавов в твердом и жидком состояниях, в выявлении их взаимосвязи и общих закономерностей. Средством систематизации может быть модель, включающая набор графиков. Существует вероятность выявления в результате
6 экспериментальных исследований новых методов воздействия на свойства через конкретные элементы строения сплавов. Сведения о структуре указывают на существование ее взаимосвязи со свойствами, как функцией от нее.
Принятый в данной работе подход позволяет объединить и выявить особенности рассмотреннь'їх типов литейных сплавов и связать воедино наиболее важные их параметры, а также производить сравнение свойств и структур литых сплавов по единой методике.
Целью предлагаемой работы являлось исследование возможностей
управления структурой и свойствами литых сплавов систем Al-Cu, Al-Si и Al-Si-Cu
за счет явления наследственности и разработки на этой основе технологии
модифицирования первичного сплава АК6М2 добавками
быстрозакристаллизованных мелкокристаллического переплава и
титаносодержащих лигатур на алюминиевой основе для достижения повышенного уровня технологических и механических свойств, снижения брака отливок, улучшения морфологии их строения при сокращенном расходе модифицирующих добавок.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Предложена методика систематизации сведений о химических составах, структурах всех уровней и ряде свойств в виде методологической модели "литейного треугольника", осуществляющего новый подход к решению задачи выбора оптимального состава, получения качественной структуры и необходимых свойств.
Развита и дополнена идея представления структуры сплава в виде совокупности структурно-иерархических уровней с указанием содержащихся структурных элементов, их размеров и корреляции со свойствами.
Показано влияние скорости кристаллизации в диапазоне 10-103оС/с на изменение структурных параметров в бинарных модельных сплавах систем Al-Cu и Al-Si и влияние скорости плавки в сплавах системы Al-Cu.
Установлено повышение свойств сплавов системы Al-Cu при использовании в качестве шихты отходов с деформированной структурой.
Впервые выполнен сравнительный анализ эффективности модифицирования медистого силумина АК6М2 несколькими типами мелкокристаллических модификаторов: переплавом сплава АК6М2, Ц-лигатурой состава Al-Ti, СВС-лигатурой состава AI-5%Ti-1%B.
6. Предложено объяснение механизма процесса модифицирования силумина АК6М2 добавками мелкокристаллического переплава (МКП).
Практическая ценность работы заключается в том, что из отходов металлургической и электротехнической промышленности, обладающих измельченной структурой, получали сплав, затем подвергали его кристаллизации в валках. В результате получен экономичный переплав с мелкокристаллической структурой, обладающий высоким модифицирующим действием. Установлено оптимальное количество МКП для достижения наибольшего модифицирующего эффекта, выразившегося в повышении литейных свойств и механических свойств конструкционного сплава АК6М2, предназначенного для производства отливок "Головка блока цилиндров" . Разработан рациональный режим синтезирования экономичных высококачественных вторичных сплавов АК6М2, АК7МЗ из отходов, позволяющий сохранить положительное наследственное влияние шихты. На защиту выносятся:
Трехкомпонентная модель бинарных сплавов на основе алюминия и железа, базирующиеся на принципе существования прямой и обратной зависимости химического состава, структуры и свойств.
Классификация, описание структур литых сплавов с применением обобщенных визуализирующих и некоторых численных методов и корреляция между значениями свойств (концентрация и твердость, прочность и твердость сплавов системы Al-Cu).
Результаты экспериментов по применению методов наследственного управления структурой и свойствами сплавов системы Al-Cu путем изменения строения и состава шихты, скорости плавки и охлаждения.
Результаты исследований по модифицированию конструкционного сплава АК6М2 мелкокристаллическим переплавом , Ц-, СВС-титаносодержащими лигатурами на алюминиевой основе.
5. Результаты опытно-промышленных испытаний отливки "Головка блока
цилиндров", полученных
Во введении раскрыта актуальность темы диссертационной работы, представлена научная новизна, практическая ценность работы и положения, выносимые на защиту. В первой главе на основании литературных источников рассмотрены современные научные представления о строении сплавов в твердом и жидком состоянии, о влиянии основных технологических факторов, состояния шихтовых материалов и их подготовки на структуру и свойства сплавов. Проанализированы структурные параметры, изучаемые при исследовании сплавов. Во второй главе изложена методика проведения работы. Третья глава посвящена дополнению концептуальной структурно-иерархической таблицы для сплавов,
предложенной Б.Б.Гуляевым, параметрами структурных единиц и формулами,
связывающими указанные структурные параметры со свойствами, присущими
данному иерархическому уровню. Предложена трехкомпонентная модель,
отражающая влияние химического состава на свойства и структуру литых сплавов и
имеющая значение для решения задачи представления их взаимосвязи. В
четвертой главе приведены результаты исследований влияния скорости
кристаллизации, скорости плавки на структуру сплавов системы Al-Cu. Было
выполнено исследование влияния различных видов деформированных отходов,
использованных в качестве шихтовых материалов для получения сплавов системы
Al-Cu с повышенными свойствами. В пятой главе отражены результаты
исследований возможности синтезирования из отходов сплавов типа силумин с
улучшенными свойствами; получения быстрозакристаллизованного
мелкокристаллического переплава; модифицирования сплава АК6М2 лигатурами AI-Ti и МКП. В шестой главе изложены рекомендации и опыт практического использования результатов работы. Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается применением современных методов исследования структуры и свойств материалов и подтверждается опробованием результатов исследований в условиях реального производства АО "АвтоВАЗ".
Результаты работы доложены и обсуждены на V научно-технической конференции "Наследственность в литых сплавах" (г. Куйбышев, 1993), научно-технической конференции "Управление процессами формирования структуры и свойств литых сплавов в отливках" (г. Санкт - Петербург, 1996), юбилейной научно-технической конференции "Совершенствование литейных процессов" (г. Екатеринбург, 1997), конференции "Актуальные проблемы переработки лома и отходов цветных сплавов" (г. Владимир,.1997), конференции "Генная инженерия в сплавах"(г. Самара, 1998), научных семинарах кафедр "Физико-химия литейных сплавов" СПбГТУ и "Технология литейных процессов" СамГТУ.
Внедрение результатов диссертационной работы, проводимое в условиях АО "АвтоВАЗ" и НПП "Интермет-Синтез", подтверждает их эффективность. Планируемый годовой экономический эффект от внедрения результатов работы по модифицированию сплава АК6М2 мелкокристаллическими добавками составит 721 тыс. руб. для 1 т переплава, 540 тыс. руб для 1 т лигатуры ; по синтезированию из отходов ~ 4,3-г5,1 тыс. руб. на 1 т в ценах на 1998 г. Работа выполнена на кафедрах "Физико-химия литейных сплавов и процессов" Санкт-Петербургского государственного технического университета и "Технология литейных процессов" Самарского государственного технического университета
Строение твердых литых сплавов и существующие методы изучения
Разнообразие свойств многокомпонентных сплавов определяется их сложным строением по сравнению с чистыми металлами. Литература по изучению структур металлов и сплавов содержит сведения о диафаммах состояния, свойствах сплавов и отдельные разрозненные фотографии макро- и микроструктур без систематического увеличения с использованием разных травителей или без их указания. Преимущественно изучена структура железа, сталей [29-31], жаропрочных [32] и ряда термообработанных цветных сплавов [33-37]. Для литых сплавов выявлены немногочисленные источники [34,35,38,39].
Л.Ф.Мондольфо [ 35 ] приводит обзор информации о сплавах алюминия, двойных и сложных диаграммах состояния с описанием изменений фазового состава, структуры и свойств в зависимости от химического состава и термообработки. Для литых сплавов приводятся интервалы значений их свойств без ссылки на условия получения и методы измерений. Особенности дислокационной структуры алюминиевых сплавов при увеличениях порядка 5 . 104 , определяющие уровень механических, коррозионных свойств и характеристик разрушения отражены в [ 33 ], однако отсутствуют данные о соответствующей структуре макро- и микроуровней. Анализ структурного состояния типичных промышленных цветных сплавов на макро- и микроуровнях проведен М.В.Мальцевым [ 34 ] с указанием присущих им свойств в зависимости от их химического состава и способов модифицирования. В работе [ 40 ] классифицированы зерна реальных поликристаллических агрегатов по количеству граней и их взаимному расположению. К.Шуберт [ 41 ] определяет структуру твердого тела, как функцию вероятности, предполагающую для достаточно большого промежутка времени удовлетворительные сведения о положении частиц. В этой работе приводятся упрощенные структурные ступени твердого тела, не имеющие резкого разграничения, но из-за методов исследований, различающиеся между собой. Для изучения отмеченных видов структур твердых тел используются микроскопия, дифрактометрия, квантометрия. Указаны типы структур и их обозначение: пластинчатый, R - стержневой, BL -с разорванными пластинами, F - чешуйчатый, С - сложнорегулярный, QR- квазирегулярный.
Для расчета, например, электропроводности, предлагается [42 ] классифицировать гетерогенные системы применительно к 2-х фазным сплавам, состоящим из практически равноосных кристаллов, на 2 типа: матричные и статические. К матричным относят системы с однофазной матрицей, в которую вкраплены не соприкасающиеся между собой кристаллы второй фазы; к статическим - из кристаллов, расположенных хаотически, размещение которых не является регулярным. Матричные системы более электропроводны из-за отсутствия препятствий прохождению токов. Б.Б.Гуляевым [ 43,44 ] выполнено деление структур по уровням с указанием некоторых элементов, границ их нахождения, средств изучения, известных и разрабатываемых технологических методов избирательного воздействия на отдельные уровни с целью управления свойствами. В. К. Григорович [ 45 ] отмечает, что в рассмотрении атомного подуровня фигурирует электронное строение компонентов, определяющее их структуры и характер образуемых ими при межатомном взаимодействии диаграмм состояния. Практически не произведено классификаций элементов структуры по их размерам. К характерным чертам микроструктуры сплавов относят: поры, включения, нерастворимые фазы, образующиеся при кристаллизации.например, AU(FeMn) или FeAI3; дисперсоиды - мелкие выделения, образование которых происходит при высокотемпературных операциях термообработки ZrAI3, AI12(Fe Мп)3 и AI12Mg2Cr", выделения , образующиеся в процессе старения и при низких температурах вследствие высокой степени пересыщения твердого раствора при охлаждении от температуры Закалки MnZn2, CuAl2 (6) и зоны Гинье - Престона. Все вышеперечисленные особенности могут влиять на поведение материала, и большая их часть поддается количественному анализу. Нерастворимые частицы, пористость и включения имеют относительно крупные размеры, доступные для наблюдения и изучения с помощью светового микроскопа. Процессы формирования структуры материалов : рекристаллизация, старение, полигонизация, эвтектоидныи распад и т.д. вызваны явлениями, одним из которых является массоперенос по межзеренным и межфазным границам, протекающий активнее, чем в кристалле.
Границы зерен являются стоком и источником структурных дефектов, их количество определяется химическим и фазовым составами. Границы зерен достаточно изучены [46 -51 ]. Б.А.Мовчан[ 46 ] показал на примере никелевого слитка, что при металлографическом и электронно-микроскопических методах исследований граница представляет собой сплошное или цепочечное вытравившееся углубление. Указанные формы присущи всем изучаемым литым металлам и сплавам. Строение зерен может включать на границе раздела скопление окислов , а также газоусадочную раковину, образовавшуюся вследствие затрудненного (через слой окислов) фильтрационного питания данного участка. В большинстве случаев отмеченные дефекты образуются на стыках смежных зерен, т.к. именно здесь завершается их кристаллизация. Такие дефекты могут быть ультрамикроскопического размера и относиться уже к субмикроструктуре. Уменьшение когезионной прочности границ раздела оказывает отрицательное воздействие на свойства сплавов[ 13 ]. Граница зерна по своему строению и составу отличается от тела зерна и рассматривается как отдельная фаза со своими термодинамическими и кинетическими характеристиками. Изучены некоторые ее свойства [ 47 ], в частности, большая скорость массопереноса -коэффициент диффузии по границам зерен на несколько порядков больше, чем в теле зерна. Доля общего диффузионного потока, приходящаяся на границу невелика, но возрастает с понижением температуры. Согласно расчетам, выше 0,8-0,9 «Тпл вкладом граничной диффузии в общий поток можно пренебречь, однако авторадиографические исследования отмечают преимущественную диффузию по границам зерен вплоть до предплавильных температур. Небольшие количества примесей изменяют локальные диффузионные характеристики, в частности, замедляют диффузию по границам зерен. Этим объясняется и достаточность малого количества легирующих элементов для существенного изменения свойств. Понижение диффузионной проницаемости границ зерен в никеле при легировании бором прямо коррелирует с их ростом, при этом энергия сублимации атомов никеля с границ - повышается с 214 до 258 кДж/г атом [ 46 ]. Таким образом, бор в никелевых сплавах приближает состояние границ зерен в термодинамическом и кинетическом отношениях к состоянию объема зерна.
Испытания литейных и физико-механических свойств
Представляется целесообразным обобщение и систематизации справочных данных о составе, металлографических исследованиях и химическом составе в единую систему в единую модель, включающую системный подход к решению задачи выбора оптимального состава, получения качественной отливки и необходимых свойств и использующего основные положения и аппарат классического металловедения, физико-химического анализа. Возможность определения или предположения получаемых свойств и структуры при использовании такой модели позволила бы отказаться от привлечения планируемого эксперимента как единственного средства решения задачи. Вызывает затруднения определение закономерностей взаимосвязи строения литых сплавов, их химического состава и физико-механических свойств без учета роли органически взаимосвязанных иерархических структурных подуровней.
В связи с этим предлагается распределение изображений структур литых сплавов в качестве третьего компонента "литейных треугольников" по мере возрастания их увеличения. Для правильного понимания и наиболее точного описания необходим также учет стадии технологической цепочки, в которой находится рассматриваемый сплав, и каким процессам он уже подвергался. В этом случае корректность иерархического подхода к определению взаимосвязи свойств и структуры будет соблюдена полностью. В связи с этим целью настоящей работы является исследование возможностей управления структурой и свойствами литых сплавов систем Al-Cu, AI Si и Al-Si-Cu за счет явления наследственности и разработка технологии модифицирования первичного сплава АК6М2 добавками быстрозакристаллизованных мелкокристаллических переплава сплава АК6М2 и титаносодержащих лигатур на алюминиевой основе для достижения повышенного уровня технологических и механических свойств, снижения брака отливок, улучшения морфологии их строения при сокращенном расходе модифицирующих добавок. В работе решались следующие задачи: 1.
Разработка методологической модели "литейный треугольник" систем Al-Si, Al-Cu, Al-Mg и Fe-C, предназначающейся для анализа уровня свойств и структуры сплавов в зависимости от химического состава и технологических параметров их получения и дополнение систематизирующей таблицы структурно-иерархических уровней элементами строения сплавов формулами корреляции их структурных параметров со свойствами, установленными в результате литературного поиска. 2. Исследование влияния химического состава, вида шихты, степени деформированности ее структуры, скорости плавки на структурные и физико-механические характеристики в модельных бинарных сплавах систем Al-Cu, Al-Si. 3. Исследование влияния скорости кристаллизации на особенности структурообразования сплавов систем Al-Cu, Al-Si и Al-Si-Cu и определение стереометрических параметров микроструктурного иерархического уровня. 4. Разработка технологии синтезирования сплава АК6М2 с улучшенными свойствами и модифицированной мелкозернистой структурой на основе применения деформированных промышленных отходов. 5. Получение из синтезированного сплава АК6М2 мелкокристаллических переплавов кристаллизацией в валках при повышенной скорости охлаждения. 6. Оптимизация и корректировка промышленной технологии модифицирования сплава АК6М2 малыми добавками быстрозакристаллизованных переплавов и лигатур состава Ali. Для приготовления в лабораторных условиях модельных сплавов и сплава АК6М2 использовали печи сопротивления типа СНОЛ 162008/9 - М1 ТУ 16-531507-74, муфельную печь подогрева. Контроль и поддержание температуры расплава на заданном уровне осуществлялся с помощью термопар и автоматического самопишущего потенциометра ПСР1-03 ГОСТ 7164-66. Выплавку сплавов проводили в графитовых конических емкостью 0,7 кг и металлических прямоугольных тиглях емкостью 5 кг. Используемую металлическую оснастку и тигель покрывали слоем краски на основе окиси цинка. Загрузку исходных шихтовых материалов производили в предварительно прогретый до 400-500 С тигель (температура печи - 500-600 С). Обработка шихтовых материалов заключалась в их обертывании алюминиевой фольгой во избежание окисления и угара и подогреве до 150-200 С. Масса плавки составляла 0,1 и 0,7 кг для модельных сплавов и 1,6 кг для сплава АК6М2.
Приготовление модельных сплавов заданного химического состава производили по общепринятым режимам [91, 92]. Требуемый химический состав сплавов получали путем последовательного ввода элементов в тигель. Характеристики использованных шихтовых материалов указаны в табл. 2.1. Модельные сплавы приготовляли на основе алюминия марок А99, А97 (ГОСТ 11069 -93). Температуру легирования для сплавов одной системы выдерживали постоянной. Сплавы подвергали перегреву на одинаковую величину, определяемую из диаграммы состояния и составляющую 100 С над линией ликвидус в соответствии с его составом. При вторичном переплаве сплавов с последующей кристаллизацией в валковом кристаллизаторе выдерживали следующие технологические параметры: для системы Al-Cu - температура заливки составляла -720 С; высота заливки -70-80 мм; С, для сплава AI-50 % Си - температура заливки - 700 С. Перегрев расплава АК6М2 не превышал 750 С. Заливку в формы осуществляли при 710 + 5 С. Закристаллизовавшийся сплав выдерживали в формах перед разбором в течение 10 мин. Маркировка образцов производилась в соответствии с рис.2.1.
Перед разливкой контролировали температуру расплава с помощью термопары в пересчете по таблицам хромель-копель. Готовый сплав заливали в кокиль (рис.2.2). Разливкой сплава с одинаковой скоростью охлаждения = 30 С/с достигали относительно равных условий кристаллизации для сплавов разных систем. Таким образом исключали влияние неучитываемых факторов на сравнительную оценку зависимости физико-механических свойств от структуры и химического состава сплавов. Охлажденные и извлеченные из металлической изложницы образцы в виде темплетов маркировали вне пределов рабочей площади образца, после чего замеряли их плотность методом гидростатического взвешивания. Химический состав полученных сплавов проверяли методом химического и спектрального анализа.
Методология составления трехкомпонентной графической модели
Построение трехкомпонентной модели для сплавов алюминия производилось объединением сведений в единую систему, включающую результаты физико-химического анализа, отраженные на трех координатных осях. На координатных осях откладывались: температура (Т,С), концентрация (С, %,мас), значения механических свойств - ав (МПа) и 5 ( % ). Связь между диаграммой состояния сплавов и диаграммой " состав - свойство" отражает структуру. Влияние структуры на свойства выражается через взаимосвязь между показателями свойств и количественными и качественными параметрами. Верхняя часть модели представляет собой фрагменты равновесных диаграмм состояния. На оси концентраций откладывалось до 20 % содержания второго компонента, т.к. в литейных сплавах оно не превышается, и используются преимущественно такие сплавы. Нанесенные на линию ликвидус точки соответствуют типовым сплавам этих систем и проиллюстрированы слева изображениями структур, расположенными также на координатной оси в порядке возрастания увеличений. Для комплекса сплавов с общей основой представлена сначала первоначальная структура с нулевой концентрацией второго компонента. В большинстве случаев - для AI, Си, Fe- это простейшие сетчатые структуры чистых металлов.
В нижней части модели содержится график механических свойств - предела прочности и характеристик пластичности. Графическое выполнение диаграмм состояния произведено в концентрационном соответс твии с графиками механических свойств. Подобное выполнено для нескольких сплавов на основе AI, а также Cu-Sn. Сплавы AI с Si, Си, Мд представлены диаграммами состояния эвтектического типа, на которых первая точка фиксируется на нулевой концентрации второго компонента для чистого металла. Вторая точка соответствует повышенному содержанию второго компонента. Стрелка, идущая от точки 2 ко второму фрагменту структуры, показывает эвтектические выделения для Si по границам алюминиевой сетки или дендритную структуру на мироуровне при увеличении 200-300 раз для Cu-Sn в пределах содержания второго компонента около 4- 5 %. Соединения вторых фрагментов структур с показателями механических свойств указывают на существенное повышение прочности во всех случаях и снижение показателя пластичности.
Влияние легирования на структуру описывается диаграммой состояния, по которой можно предсказать характер протекания процесса затвердевания, состав образующихся при этом фаз и возможность превращений в твердом состоянии. Однако линии диаграммы состояния не отражают происходящих изменений в структуре, т.к. фазовый состав сохраняется, а изменение терпят лишь соотношение фаз и количественные критерии, поэтому на данном участке взаимодействуют практически только два фрагмента модели. С увеличением концентрации вновь включается 1 фрагмент -диаграмма. На диаграмме состояния уместно одновременное выполнение смещения линии солидус при введении модификатора, увеличении скорости кристаллизации и других технологических изменениях, это позволит наглядно сопоставить возможности влияния технологических факторов на свойства отливки. Этот же прием касается откладывания значений физико-механических свойств на втором компоненте литейного треугольника. Идея совмещения традиционной диаграммы состояния с графиком зависимости размера зерна алюминия от содержания титана была реализована у М.В.Мальцева [34]. Таким образом, на данном этапе основной задачей явилось осуществление на практике принципа соединения в виде „литейного треугольника" данных для ряда двойных систем по свойствам, структуре и химическому составу и их изменению в зависимости от технологических параметров, что позволяет производить сравнение характеристик путем наложения графинов друг на друга для выбора наиболее благоприятного процентного содержания того или иного элемента. Второй задачей является одновременное соединение наглядных сведений о структурах литейных сплавов в виде микрофотографий и снимков методом электронной микроскопии в цепочку последовательно возрастающих увеличений. Топология модели содержит следующие основные правила: Связь с литературными источниками.
Обозначения фаз: граничные твердые растворы на основе компонентов обозначаются химическими символами элементов.
Диаграмма состояния: ось концентраций имеет шкалу в процентах по массе. Температура и состав выражены в градусах Цельсия и процентах. Единицы измерения температуры, свойств и давления.
Стереометаллографические данные. Для характеристики кристаллической структуры были приняты описательный метод и ряд двумерных параметров, полученные из изображений фотоснимков структур с разным увеличением. Предпочтительно рассматривались структурные состояния, соответствующие критическим точкам диаграмм состояния и процентному содержанию, относящемуся к существующим сплавам. В данном способе совмещения результатов физико-химического, металлографического анализа виде системы четко отражена связь механических свойств с диаграмами состояния практически для любой концентрационной точки. От построения литейного треугольника применительно к 2-хкомпонентным сплавам возможен переход к 3-х и более компонентным системам. Это особенно важно в практическом аспекте, т.к. многокомпонентные литейные сплавы, применяемые в настоящее время и разработанные эмпирическими методами, обладают существенно более высокими свойствами, чем монолегированные и в то же время имеют пробелы в сведениях и разрозненные источники об их свойствах.
Модель представлена двойными системами сплавов на основе AI и Fe. К типично приводимым в литературе свойствам добавлены собственные результаты исследований об изменении структуры образцов литых сплавов на основе алюминия в результате обработки шихты, расплава различными технологическими способами. Это дает возможность получить сведения о том, какое влияние на какие именно структурные параметры определенной группы сплавов оказывают технологические приемы литья. Сочетание этих данных в единую систему позволяет оценить оптимальный вариант. Различие структур модельных литых сплавов на основе AI, полученных традиционным способом и методом ввода частиц обработанной шихты, показано в литейных треугольниках справа. При вторичном переплаве, проводимом при температуре, превышающей Тликв, также получена отличающаяся от исходной структура. Вторичный переплав осуществляется с целью зафиксировать сохранение или изменение структуры всех или отдельных ее параметров при кристаллизации в валках.
Влияние химического состава и вида шихтовых материалов на структуру и свойства сплавов
Известно, что структура, образовавшаяся при первичной кристаллизации, оказывает существенное влияние на структуру и свойства сплавов при их последующей термообработке и деформации. Однако традиционно структура сплавов рассматривается уже в обработанном виде без учета истории получения литого состояния, а тем более, шихты, т.к. теория наследственности получила свое подтверждение и окончательно сформировалась лишь в последнее время и еще не нашла достаточно осознанного применения в практике. Между тем, исходное состояние шихты, наряду с химическим составом и технологическими факторами является параметром, которым можно управлять и формировать фазовый состав, структурные параметры и свойства.
Изучали влияние вида шихты, концентрации второго компонента, содержания примесей и некоторых технологических параметров на механические и физические свойства модельных сплавов системы Al-Cu. Влияние этих факторов на проявление наследственных свойств в данной системе ранее практически не устанавливалось. В качестве шихты использовали первичные материалы и деформированные отходы меди и алюминия. Характеристики используемых шихтовых металлов представлены в табл.2.1 и 2.2. На рис.4.5 - 4.8 приведены макро- и микроструктуры основных видов шихтовых компонентов, использованных для получения исследуемых сплавов.
Первоначально изучали структуру алюминиевой проволоки марки А5Е и ее переплава, закристаллизованного в изложнице. На фотографии микроструктуры исходной проволоки заметно, что по краям ее сечения содержание окислов и включений меньше по сравнению с ее центром. Сравнивали строение чушки переплава проволоки с чушкой переплава марки А5. На рис. 4.5,а и 4.6,а представлены макроструктуры сечения чушек. На рис.4.5,а зерна имеют вытянутую форму, связанную с направлением теплоотвода и относятся к столбчатым, тогда как в чушке переплава проволоки присутствуют столбчатые и равноосные зерна. Различие макроструктур указывает на отличия в протекании процесса кристаллизации. Микроструктура переплава проволоки А5Е (рис.4.6,6) имеет пониженную пористость, форма зерен более округлая и равномерная, чем у переплава чушкового алюминия аналогичной марки (рис.4.5,а). Применение переплава проволоки, возможно, позволит снизить пористость готового сплава, склонного к образованию газовой пористости.
На поперечных шлифах образцов медной шины (рис.4.8,а) и и прутка (рис.4.8,6) обнаружена ярко выраженная текстура деформации. Литые материалы имеют структуру с крупными дендритными зернами с развитыми осями без определенной ориентации. С увеличением степени деформации меди происходит более сильное дробление ее кристаллов. При деформации литых сплавов происходит измельчение дендритов до зерен овальной формы, которые равномерно располагаются в матрице. Необходимость изучения строения шихты связана с представлениями о ее наследственном влиянии на формирование образующейся структуры сплавов, определяющей их свойства.В табл.4.2 приведен химический состав полученных сплавов. Как показал химический анализ, сумма примесей сплавов, приготовленных из первичных шихтовых материалов, составляет 0,10%; из отходов - 0,49%. Основными примесями являются железо и кремний. Фаза AlFeSi, содержащая железо и кремний является упрочняющей, но снижающей пластичность, поэтому ее присутствие не считается позитивным.
Для сплавов, полученных из первичной шихты, рассмотрено влияние концентрации меди на изменение их строения и механических свойств в литом состоянии. Микроструктура сплавов изменяется в зависимости от содержания меди в твердом растворе. Механизм измельчения зерен сводится к увеличению поверхности зерен, и 6 -фаза размещается по этой поверхности, не образуя широкограничных областей, ускоряющих старение и межзеренную коррозию. Утонение дендритных ячеек, наблюдаемое на представленных фотографиях микроструктур (рис. 4.9) с повышением содержания второго компонента определяет повышение прочностных значений. Одним из общих качественных требований, предъявляемых к состоянию структуры сплавов, является равномерность распределения и дисперсность ее составляющих.
Отмечено замедление роста прочности (рис.4.11), падения пластичности и роста микротвердости в области концентраций с 4,70 до 5,70 % Си, что коррелирует с замедлением роста удельной поверхности легирующей фазы на этом концентрационном отрезке (рис.4.12,6) и, по-видимому, объясняется смещением точки предельной растворимости влево и более ранним появлением эвтектической составляющей, чем это отражено равновесной диаграммой состояния.
Таблица 4.3 Устанавливали концентрационную зависимость микротвердости по Кнуппу ЩК) для бинарных сплавов из первичных шихтовых материалов. Микротвердость является структурно-чувствительной характеристикой и показывает степень структурной неоднородности, легированности твердого раствора, а также микротвердость фаз, входящих в состав сплава. Известно [ 120 ], что на показания микротвердости оказывают значение различные факторы, при получении сплавов условия выдерживались постоянными, и обработка шлифов проводилась идентично. За возрастание размера отпечатка вследствие увеличения нагрузки говорит предпочтительность точности определения величины диагонали. Однако для получения истинных значений размеры отпечатка не должны выходить за рамки измеряемой фазы. Поэтому была выбрана средняя нагрузка 50 кГ, автоматически прикладываемая к поверхности образцов в течение 10 с.
В результате проведенных исследований установлено, что сплавы с концентрацией меди 4,7%; 5,7% характеризуются значительной химической неоднородностью, о чем свидетельствуют колебания микротвердости по сечению (табл.4.4). У сплава AI-4,7 % Си ее значения выше, чем AI-5,7 % Си, это соответствует характеру концентрационной зависимости микротвердости сплава эвтектического типа, сопоставляемой А.А. Бочваром [ 75 ] с ходом диаграммы состояния, в случае смещения предельной растворимости в сторону основного компонента. Результаты испытаний микротвердости по Кнуппу согласуются со значениями других свойств.
Методом наименьших квадратов устанавливали линейную зависимость твердости НВ от концентрации меди в алюминии на основе результатов испытаний.
Решение этой системы а0 =384,15493; ai = 27,647512. Отсюда находили линейную зависимость: где х - концентрация меди, а р(х) - твердость.
