Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время в промышленности широко используются композиционные материалы, в том числе на основе алюминия. Производство композиционных материалов (КМ) достаточно затратно из-за сложностей процесса их получения. Поэтому внимание исследователей направленно на создание новых технологий, позволяющих не только создавать новые композиты, но и сделать их более доступными материалами. На основе изучения преимуществ и недостатков метода ультразвуковой обработки расплавов и метода вибрационного воздействия на тигель с расплавом в Институте металлургии УрО РАН был предложен метод получения КМ с использованием низкочастотных колебаний (НЧК) расплава.
Метод проявляет многообразие механизмов воздействия (генерация периодических изменений давления в объеме расплава под поршнем-вибратором, создание вихревых потоков с высокой скоростью циркуляции, которые вызывают интенсивное турбулентное движение во всем обрабатываемом объеме, возникновение зачатков кавитации) и позволяет получать сплавы с равномерным распределением по их объему композиционных компонентов и измельченными структурными составляющими. Однако актуальной проблемой является то, что метод требует совершенствования с позиций как определения оптимальных режимов обработки расплавов, обеспечивающих стабильное получение однородных сплавов с измельченной структурой, так и возможности управления параметрами низкочастотной обработки при замешивании в расплав композиционных добавок с существенно различающимися физическими и химическими характеристиками. Представление создания композитов с использованием низкочастотной обработки расплавов именно как метода также нуждается в доказательной базе его принципиальных отличий от других вибрационных методов и в разработке различных способов его осуществления.
Качество КМ, получаемых новым методом, определяется их механическими свойствами и способностью к дальнейшей обработке. Прокатка – один из наиболее распространенных видов обработки материалов. Обработка давлением композиционных материалов, полученных с применением низкочастотной обработки их расплавов, имеет свои особенности, что также требует изучения и является актуальной задачей.
Нацеленность на получение с использованием низкочастотной обработки именно алюминиевых композиций объясняется привлекательными для техники характеристиками алюминия и распространенностью в природе. В настоящее время отечественные и зарубежные исследователи проявляют интерес к сплаву системы Al-Pb, который может быть применен в качестве антикоррозионного и антифрикционного покрытия на стальной полосе. Использование в таких покрытиях химически не взаимодействующих между собой алюминия и свинца обусловлено тем, что у алюминия высокие несущая способность и теплопроводность, подходящие для матрицы покрытия, а свинец – лучшая из металлов смазка при сухом трении. Попытки получить антифрикционный материал состава Al-Pb в качестве замены более дорогим меди и олову пока не нашли промышленного применения вследствие слишком высокой стоимости предложенных технологий. Но разработки в этом направлении продолжаются, особенно активно в Китае, так что создание экономически целесообразного способа получения антифрикционного материала системы Al-Pb на стальной основе – задача актуальная.
Цель настоящего исследования – получение с использованием низкочастотной обработки расплавов однородных композиционных сплавов на основе алюминия с измельченными структурными составляющими.
В соответствии с поставленной целью в диссертации решались основные задачи исследования:
- определение посредством физического и математического моделирования оптимальных амплитудно-частотных и геометрических параметров обработки расплавов, обеспечивающих стабильное перемешивание расплава с композиционными компонентами до однородности,
- изучение влияния плотности порошковых агломератов и условий их смачивания расплавом на способность к замешиванию в расплав, разработка способов и устройств, позволяющих преодолеть противодействие замешиванию;
- оценка эффективности разрушения порошковых агломератов при вибрационной обработке порошковых массивов в жидкой и газовой средах;
- выявление физико-химических особенностей, присущих именно низкочастотной обработке расплавов;
- разработка новых вибрационных способов получения композитов;
- доказательство принципиального отличия низкочастотного метода обработки расплавов от других вибрационных методов;
- теоретическое и экспериментальное исследование и получение прокаткой Al-Pb- покрытия на стальной полосе.
Методы исследования. Для изучения воздействия НЧК на расплав применен системный подход, заключающийся в визуализации процесса посредством экспериментального моделирования на жидкостях с замешанными в них порошковыми частицами, теоретического анализа и математического описания наблюдаемых явлений. Этот подход также включает практическое получение композиционных сплавов разработанными способами, изучение их структуры методами оптической микроскопии и микрорентгеноспектрального анализа, математическую аппроксимацию результатов и аналитическую оценку выявленных закономерностей. Разработана методика качественной и количественной оценки доли воздействия НЧК среди других факторов влияния на размер структурных составляющих получаемого композиционного сплава. Для определения вида зависимостей плотности порошковой прессовки, сопротивления деформации порошковой частицы, ее критического конгломерационного размера от влияющих на их величины факторов использованы прямое математическое доказательство, доказательство «от противного», сравнительный анализ. При разработке способа и создании устройства по виброаэрационной обработке порошковой шихты, предназначенной к замешиванию в расплав, применен метод проб и ошибок. С целью предотвращения дефектов в Al-Pb покрытии на стадии прокатки или отжига проведено математическое моделирование многослойной прокатки с получением уравнений, описывающих каждый из возможных дефектов, а также экспериментальное исследование зависимости толщины интерметаллидной прослойки от скорости нагрева и степени деформации. Механические и трибологические свойства стальной полосы с покрытием исследованы стандартными методами с использованием разрывной машины Zwick Roell Z050, твердомера ПМТ-3М с нагрузкой 50 и 100г алмазной пирамидой, машины трения СМЦ-2, профилографа-профилометра 201 завода «Калибр». Испытания на коррозионную стойкость осуществлены путем выдержки образцов в химически активной атмосфере. Металлографические исследования проведены на оптических микроскопах Leica DMIRM, Olimpus GX-51, РСМА на электронном микроскопе Carl Ziess EVO 40. Рентгенографические исследования порошковой шихты проведены на дифрактометре D8 ADVANCE (CuK-излучение, -фильтр, позиционно-чувствительный детектор VNTEC-1).
Достоверность научных положений диссертации подтверждается физическим моделированием на жидкостях процесса виброобработки расплавов, которое позволяет осуществлять визуальное наблюдение процесса и описывать его с помощью общепринятого математического аппарата механики жидкостей и газов. Предложенные в диссертации новые методики качественной и количественной оценки факторов влияния на замешивание и дробление агломератов в расплаве, на размер структурных составляющих сплава, на предварительную обработку порошковой шихты давлением и перемешиванием не противоречат теоретическим основам гидромеханики, механики сплошной и дисперсной сред, физической химии расплавов. Соответствие результатов математического моделирования результатам экспериментов на расплавах и порошковых массивах обеспечивается применением сертифицированного измерительного оборудования и практической реализацией получения композиционных сплавов на основе алюминия и алюминиево-свинцового покрытия на стальной полосе.
Научная новизна работы состоит в экспериментальной и теоретической разработке метода получения однородных композиционных сплавов с измельченной структурой посредством низкочастотного воздействия на их расплавы.
Построена новая математическая модель, описывающая процесс низкочастотной обработки расплавов, определены геометрические и амплитудно-частотные параметры низкочастотной обработки, обеспечивающие равномерное распределение компонентов по расплаву.
Исследовано явление «псевдокавитации», возникающее при низкочастотной обработке жидкостей и расплавов, и доказана возможность использования псевдокавитации для замешивания в расплав порошков с плотностью меньшей, чем плотность расплава.
Доказано принципиальное различие низкочастотного и ультразвукового методов обработки композиционных расплавов, заключающееся в том, что суть ультразвуковой обработки – в воздействии на расплав в режиме кавитации, а низкочастотной – в перемешивании всего расплава до однородности, сопровождаемого при определенной интенсивности явлением псевдокавитации.
Предложены новые методики расчета при низкочастотной обработке расплава текущего значения угла смачивания в инкубационный период, вероятности спекания отдельных частиц в агломерат в среде расплава, возможности измельчения агломератов виброобработкой.
Установлена в виде математических формул новая зависимость сопротивления деформации порошковой частицы и плотности порошковой прессовки от размеров частицы и ее зерна и получены новые уравнения, описывающие ассоциацию частиц сухого порошка в конгломераты, позволяющие строить адекватные модели обработки давлением порошковых массивов любой дисперсности.
Установлена кратковременность положительного влияния фактора виброобработки на качество сплава вследствие коагуляции включений. Разработана новая методика количественной оценки вклада низкочастотной обработки расплава в качество получаемого сплава с позиции измельчения структурных составляющих.
Предложена новая модель механизма коагуляции структурных составляющих при низкочастотной обработке расплавов, позволяющая обеспечить минимальный размер структурных составляющих композиционного сплава через управление интенсивностью вибровоздействия.
Получены новые уравнения, объясняющие причины возникновения при прокатке таких дефектов как разрыв полосы в очаге деформации, «закаты», неплоскостность на выходе из валков в виде короба и краевой волны, отслоения покрытия от основы и определяющие ограничительные требования к параметрам прокатки Al-Pb- композиции и системы Al-Pb- покрытие – стальной лист.
Защищены 7 патентами РФ новые способы и устройства осуществления низкочастотного метода обработки расплавов, перемешивания порошковой шихты с разбиением агломератов, совместной прокатки порошка и литой полосы.
Практическая значимость работы заключается в том, что
- теоретически и экспериментально разработан новый метод создания композиционных сплавов с использованием низкочастотной обработки их расплавов, обеспечивающий однородность и измельчение структурных составляющих получаемых композитов;
- полученные математические зависимости полностью описывают процесс виброобработки расплавов и позволяют управлять этим процессом и обеспечивать однородность композиционных сплавов;
- разработка метода позволила создавать качественно новые, имеющие перспективу широкого применения, например, в покрытиях электрических контактов, в качестве вкладышей подшипников скольжения, композиционные сплавы в лабораториях ИМЕТ УрО РАН при выполнении работ в рамках научных проектов;
- разработан и защищен патентом РФ новый способ получения композиционных сплавов, позволяющий воздействовать на расплав как при наличии, так и в отсутствие поршня вплоть до кристаллизации;
- разработан новый способ получения композиционного антифрикционного Al-Pb сплава и устройство для его осуществления, суть которого в непрерывном получении расплавленной алюминиево-свинцовой эмульсии, быстром ее затвердевании в кристаллизаторе с дальнейшей подачей полученного сплава тянущими роликами в валки прокатного стана. Данный способ предназначен для создания вкладышей подшипников скольжения;
- разработаны и защищены патентами РФ высокопроизводительный способ смешивания высокодисперсных порошков, предназначенных к замешиванию в расплав, с одновременным разрушением агломерационных образований без использования ПАВ и конструкция виброаэрационного смесителя высокодисперсных порошковых материалов;
- разработаны и защищены патентами РФ три способа совместной прокатки порошка и литой полосы;
- теоретические разработки, представленные в диссертации, используются в учебном процессе Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н.Ельцина.
Личный вклад автора заключается в математическом решении всех теоретических вопросов, представленных в диссертации в главах 2-5, в планировании и участии в физическом моделировании процесса виброобработки на жидкостях (вода, глицерин), а также в экспериментах по низкочастотной обработке расплавов систем сплав Вуда – алюминиевый порошок, Al-Ti-C, Al-Pb, Cu-Cr3C2, в участии в экспериментах по прокатке Al-Pb- полос и получению полосы с Al-Pb- покрытием. Кроме того вклад автора состоит в математической обработке и теоретическом анализе физико-химического аспекта результатов, полученных в экспериментах по виброобработке систем Al-Fe, Al-Nb, Al-W, Al-Ti, Al-Zr, в математическом обеспечении технического содержания всех полученных патентов.
На защиту выносятся:
1) определение оптимальных режимов воздействия НЧК на расплав;
2) исследование влияния плотности порошковых добавок и условий смачивания на замешивание порошков в расплав;
3) изучение влияния размера порошковых частиц на обработку порошкового массива давлением;
4) получение композитов с использованием новых вибрационных способов воздействия на расплав;
5) воздействие низкочастотной обработки на композиционный расплав как фактор измельчения структурных составляющих сплава;
6) технология получения композита системы Al-Pb и нанесения Al-Pb покрытия на стальную полосу прокаткой.
Апробация работы и публикации. Основные положения работы докладывались и обсуждались на конференциях различного уровня: «Теоретические проблемы прокатного производства» - 4 Всесоюзная конференция. (Днепропетровск, 1988), «Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов» (Челябинск - Екатеринбург, 2004, 2008, 2011), «Компьютерное моделирование физико-химических свойств стекол и расплавов» (Курган, 2004), «Новые перспективные материалы и технологии их получения (НПМ-2007)» (Волгоград. 2007), II Всероссийская конференция по наноматериалам. (Новосибирск, 2007), «X1X Менделеевский съезд по общей и прикладной химии» (Волгоград.2011), «Наноструктурные материалы-2008. Беларусь-Россия-Украина» НАНО-2008 (Минск, 2008), «Автоматизация и перспективные технологии в атомной отрасли» - VI Межотраслевая научно-техническая конференция АПТ-2009 (Новоуральск, 2009), «Defect and Diffusion Forum» (Париж, 2010), «Проблемы и перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР» (Екатеринбург, 2011); (Екатеринбург, 2011).
Опубликовано 50 печатных работ, из них 24 в журналах, рекомендованных ВАК, 1 монография и получено 7 патентов на изобретения.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 225 наименований и приложения. Основной текст занимает 226 страниц, включает 44 рисунка и 7 таблиц.
