Введение к работе
Актуальность работы
В настоящее время алюминиевые сплавы получили широкое применение благодаря хорошему комплексу механических, физических, коррозионных и технологических свойств. Однако развитие техники требует материалов с еще более высоким уровнем различных характеристик, чем те, которые могут обеспечить промышленные сплавы. В связи с этим является актуальным создание такого подхода конструирования новых алюминиевых сплавов, который бы позволил существенно улучшить свойства и при этом сохранил бы их стоимость на приемлемом уровне. Решить такую задачу без поиска новых перспективных систем легирования представляется маловероятным.
Из литературы известно, что наиболее оптимальное сочетание разных свойств (в том числе механических) можно получить в материалах со структурой композиционного материала (КМ) при высокой дисперсности упрочняющих фаз, а также их равномерном распределении. В частности, для получения дисперсной морфологии кремниевой фазы промышленные силумины (их иногда называют естественными композитами) подвергают модифицированию. Однако модифицирование позволяет только уменьшить размер частиц (например, размер (Si) с 5-10 до 2-3 мкм), а их объемная доля меняется незначительно (потолок для силуминов около 11об.%).
Для получения структуры КМ с большей объемной долей частиц используют, как правило, специальные технологии, которые предусматривают введение упрочнителя в твердом виде. Примером является метод механического легирования, который позволяет реализовать структуру, состоящую из алюминиевой матрицы и равномерно распределенных в ней дисперсных (<1 мкм) частиц (карбидов, нитридов, боридов, оксидов и т.д.). При использовании такого метода количество упрочнителя может достигать 30об.% и более, однако этот процесс слишком дорог для широкого применения (необходим процесс компактирования).
Известна также технология получения быстрозакристаллизованных алюминиевых сплавов с добавками переходных металлов (в том числе эвтектикобразующих: Fe, Ce, Ni, Co), которая, как и механическое легирование, требует операции компактирования, но сами частицы получаются из расплава в процессе кристаллизации. В результате можно получить структуру (КМ), состоящую из алюминиевой матрицы и равномерно распределенных в ней дисперсных алюминидов с объемной долей до 20-25%. Однако и эта технология (известная в мире как RS/PM) слишком дорогая для промышленного применения.
Ранее в исследованиях МИСиС было показано, что получение структуры КМ на алюминиевой основе с разными алюминидами (подобную той, которая характерная для технологии RS/PM) возможно и с использованием простых технологических процессов. Для этого требуется найти эвтектики, которые удовлетворяют следующим требованиям: 1) дисперсное строение в литом состоянии, 2) высокая объемная доля алюминида, 3) его способность к сфероидизации при отжиге без огрубления. Для нахождения таких эвтектик требуется анализ (в том числе и количественный) многокомпонентных фазовых диаграмм с доступными эвтектикобразующими элементами. Среди последних наиболее перспективными представляются церий (в том числе в виде мишметалла-Mm) и кальций.
Выбор церия и кальция объясняется тем, что в системах на основе алюминия они образуют большое количество фаз (прежде всего, тройных). Кроме того, эти металлы достаточно широко используются в промышленности (в том числе в черной металлургии), т.е. являются доступными. Вместе с тем, поиск Ce- и Ca-содержащих эвтектик по известным фазовым диаграммам существенно сдерживается отсутствием надежных сведений по ним. Даже по многим тройным системам имеются лишь несколько публикаций. При этом в них, как правило, приводятся только равновесия в твердом состоянии (без поверхностей ликвидуса, солидуса, нонвариантных реакций и т.д.), что явно недостаточно. Очень мало данных по микроструктуре Ce-и Ca-содержащих сплавов и ее трансформации в процессе термообработки, а без этого трудно оценить перспективность тех или иных композиций (сама диаграмма информации по микроструктуре не дает). Поэтому весьма актуально построение многокомпонентных фазовых диаграмм в области алюминиевого угла с участием Се и Ca, а также детальное изучение микроструктуры эвтектических сплавов.
Цель работы
Главная цель данной работы состояла в изучении возможностей создания новой группы алюминиевых сплавов со структурой КМ на основе Ce- и Ca-содержащих эвтектик (эвтектических композиционных материалов -ЭКМ), предназначенных для получения фасонных отливок и деформированных полуфабрикатов традиционными методами.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи.
-
Построение фрагментов многокомпонентных Ce- и Ca-содержащих фазовых диаграмм в области алюминиевого угла для выявления перспективных эвтектик, обладающих дисперсной структурой и высокой объемной долей второй фазы (алюминида).
-
Изучение комплекса механических и технологических свойств перспективных Се – и Са – содержащих ЭКМ в сравнении с известными алюминиевыми сплавами.
-
Количественный анализ многокомпонентных фазовых диаграмм в областях, соответствующих составам промышленных силуминов, с целью предложения рекомендаций по оптимизации составов марочных сплавов.
-
Оценка целесообразности разработки Се – и Са – содержащих литейных алюминиевых сплавов.
Научная новизна
-
Построены фрагменты многокомпонентных Ce- и Ca-содержащих фазовых диаграмм в области алюминиевого угла, включая идентификацию фаз, фазовых равновесий в твердом состоянии и реакций кристаллизации.
-
В системе Al–Ce–Cu обнаружена эвтектика (Al)+Al8CeCu4, которая при обычных условиях затвердевания (Vохл~101 K/c) характеризуется дисперсным строением, высокой объемной долей тройного соединения (~24 %) и его способностью к трансформации при нагреве в мелкие (1-2 мкм) глобулярные частицы. Эвтектика (Al)+Al8CeCu4 в наибольшей степени отвечает оптимальной структуре ЭКМ.
-
На примере модельного эвтектического сплава Al-14%Cu-7%Ce показана возможность сочетания структуры ЭКМ (c высокой объемной долей упрочняющих фаз) с высокими технологическими свойствами, как при литье тонкостенных фасонных отливок, так и при получении тонколистовых полуфабрикатов холодной прокаткой.
-
Показано, что при отжиге листового проката ЭКМ на основе эвтектики (Al)+Al8CeCu4 формируется ультрамелкозернистая структура (2-5 мкм), которая сохраняется при повышении температуры вплоть до 590 0С.
Практическая значимость работы
-
Предложены Ce- и Ca-содержащие модельные сплавы, перспективные для создания на их основе новых высокотехнологичных алюминиевых сплавов, обладающих структурой композиционного материала.
-
На основе количественного анализа многокомпонентных фазовых диаграмм (с использованием программы Thermo-Calc) в областях, соответствующих составам промышленных силуминов, предложены рекомендации по оптимизации составов марочных сплавов.
-
Показано, что термодинамическая база данных TTAL5 может быть использована для расчета фазового состава практически всех промышленных силуминов, в том числе и Ni-содержащих (поршневых).
-
Предложен и запатентован способ модифицирования эвтектики в промышленных силуминах малой добавкой мишметалла. Данный способ успешно прошел опытно-промышленное опробование в условиях предприятия ОАО «МОСОБЛПРОММОНТАЖ».
Апробация работы
Основные материалы диссертационной работы доложены и обсуждены:
На семинаре “II France-Russian seminar New achievements in Materials science” Москва, МИСиС, 10-12 ноября 2005 г.;
На международной научно-практической конференции “Прогрессивные литейные технологии”, Москва, МИСиС 13-15 декабря 2005 г;
На III-ей Евразийской научно-практической конференции “Прочность неоднородных структур.ПРОСТ-2006”, Москва, МИСиС 18-20 апреля 2006г
На 10-й Международной конференции “Aluminum Alloys ICAA-10”, Ванкувер, Канада, 9-13 июня 2006 г.
На второй международной конференции “Деформация и разрушение материалов и наноматериалов”, Москва, ИМЕТ РАН, 8-11 октября 2007г.
На IV Международной научно-практической конференции “Прогрессивные литейные технологии”, Москва, МИСиС 22-28 октября 2007 г;
На IV-ей Евразийской научно-практической конференции “Прочность неоднородных структур.ПРОСТ-2008”, Москва, МИСиС 8-10 апреля 2008г
Результаты диссертационной работы отражены в 13 публикациях (в том числе в одной монографии и 4 в журналах, входящих в перечень ВАК). По результатам работ получено одно НОУ-ХАУ (№104-013-2005 от 8 июня 2005года) и подана заявка на патент (№ заявки 2007105401/02(005859) получено положительное решение).
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 6 глав, 10 выводов, библиографического списка из 128 источников и приложений. Работа изложена на 124 страницах машинописного текста, содержит 38 таблиц и 88 рисунков.
