Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время в промышленности широко используются композиционные материалы, в том числе на основе алюминия, получаемые литьем. Производство композиционных материалов 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. Отдельные литейные технологии включают вибрационное воздействие на расплав. На основе изучения преимуществ и недостатков метода ультразвуковой обработки расплавов и метода вибрационного воздействия тигель с расплавом в Институте металлургии УрО РАН разработан новый метод получения КМ низкочастотными колебаниями (НЧК) расплава.
Новый метод проявляет многообразие механизмов механохимического воздействия (генерация периодических изменений давления в объеме расплава под поршнем-вибратором; создание вихревых потоков с высокой скоростью циркуляции, которые образуются при движении за поршнем и вызывают интенсивное турбулентное движение во всем обрабатываемом объеме; возникновение зачатков кавитации при определенных геометрических соотношениях размеров тигля и поршня-вибратора, его положения в объеме расплава, частотных и амплитудных характеристиках системы) и позволяет получать сплавы с равномерным распределением по их объему композиционных компонентов и измельченными структурными составляющими. Возможность управлять параметрами низкочастотной виброобработки в границах определенных оптимальных режимов при замешивании в расплав композиционных добавок с различающимися физическими и химическими характеристиками – важнейшая составляющая процесса получения нового композита, требующая изучения и являющаяся задачей актуальной.
Качество композитов, получаемых новым методом, определяется их механическими свойствами и способностью к дальнейшей обработке, например давлением. Прокатка – один из наиболее распространенных видов обработки литых материалов. Обработка давлением новых композиционных материалов, полученных низкочастотной виброобработкой, имеет свои особенности, что также требует изучения и является актуальной задачей.
Нацеленность на получение с помощью низкочастотной обработки именно алюминиевых композиций объясняется его привлекательными для техники характеристиками 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, так что создание экономически целесообразного способа получения антифрикционного материала системы Al-Pb на стальной основе – задача актуальная.
Цель настоящего исследования – выявить параметры оптимальных режимов низкочастотной обработки расплавов и механические и физико-химические особенности нового метода, а также показать удовлетворительные обрабатываемость и механические характеристики получаемых композитов на примере создания прокаткой нового антикоррозионного, антифрикционного покрытия системы Al-Pb на стальной полосе.
В соответствии с поставленной целью в диссертации решались основные задачи исследования:
- физическое моделирование и математическое описание низкочастотной обработки расплавов с возможностью управления процессом,
- определение оптимальных амплитудно-частотных и геометрических характеристик виброобработки, необходимых для стабильного перемешивания расплава с композиционными компонентами до однородности, с проверкой результатов моделирования на реальных сплавах,
- преодоление препятствий замешиванию порошков в расплав вследствие воздействия какого-либо противодействующего фактора, и разработка соответствующих способов и устройств,
- выделение каких-либо физико-химических особенностей, характерных именно для низкочастотной обработки,
- разработка новых способов и устройств осуществления данного метода,
- теоретическое и экспериментальное исследование и получение прокаткой Al-Pb- покрытия на стальной полосе.
Методы исследования. Для изучения воздействия НЧК на расплав применили 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 нами способами, изучение их структуры методами оптической микроскопии и микрорентгеноспектрального анализа, математическую аппроксимацию результатов и аналитическую оценку выявленных закономерностей. Разработали метод качественной и количественной оценки доли воздействия НЧК среди других факторов влияния на размер структурных составляющих получаемого композиционного сплава. Для определения вида зависимостей плотности порошковой формовки, сопротивления деформации порошковой частицы, ее критического конгломерационного размера от влияющих на их величины факторов использовали прямое математическое доказательство, доказательство «от противного», сравнительный анализ. При разработке способа и создании устройства по виброаэрационной обработке порошковой шихты, предназначенной к замешиванию в расплав, применили метод проб и ошибок. С целью прогнозирования угроз дефектов в Al-Pb покрытии на стадии прокатки или отжига провели 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 исследовали стандартными методами с использованием разрывной машины, твердомера, машины трения, профилографа-профилометра. Испытания на коррозионную стойкость осуществили путем выдержки образцов в химически активной атмосфере.
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 теоретической разработке, подкрепленной экспериментальным моделированием, нового метода получения композиционных сплавов воздействием низкочастотными колебаниями на их расплавы.
Изучены и математически проанализированы причины и процесс зарождения псевдокавитации при низкочастотных колебаниях.
Доказано принципиальное различие низкочастотного и ультразвукового методов обработки композиционных расплавов.
Исследовано явление «псевдокавитации», возникающее при низкочастотной обработке жидкостей и расплавов, и доказана возможность в режиме псевдокавитации замешивать в расплав порошки с плотностью меньшей, чем плотность расплава.
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 зависимость сопротивления деформации порошковой частицы и плотности порошковой прессовки от размеров частицы и ее зерна.
Определены размеры частиц сухого порошка, начиная с которых происходит ассоциация частиц в конгломераты.
Установлена кратковременность положительного влияния фактора виброобработки на качество сплава вследствие коагуляции включений.
Предложены новая схема измельчения и коагуляции структурных составляющих при низкочастотной обработке расплавов и методика качественной и количественной оценки фактора вибровоздействия.
Внесены коррективы в теорию листовой и многослойной прокатки, в частности, уточнены уравнения, определяющие причины дефектности и ограничительные требования, накладываемые на параметры прокатки Al-Pb- композиции и системы Al-Pb- покрытие – стальной лист.
Разработанный метод низкочастотной обработки расплава опережает зарубежные исследования в этой области, в частности, исследования китайских ученых, которые работают и в направлении получения сплава Al-Pb. Однако в зарубежных источниках не обнаружено данных о создании композита Al-Pb- покрытие – стальной лист.
Новые способы и устройства осуществления низкочастотного метода обработки расплавов, перемешивания порошковой шихты с разбиением агломератов, совместной прокатки порошка и литой полосы защищены 7 патентами РФ.
Практическая значимость работы заключается в том, что
теоретически и экспериментально обосновано применение низкочастотной обработки расплавов в качестве нового метода получения литых композитов;
полученные математические зависимости полностью описывают процесс виброобработки расплавов и являются базовыми для управления этим процессом;
разработка метода позволила создавать качественно новые, имеющие перспективу широкого применения, например, в покрытиях электрических контактов, композиционные лигатуры и 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 композиционных сплавов и устройство для его осуществления с целью получения Al-Pb антифрикционного сплава, суть способа – 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 в тракторостроении;
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.
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 другими исследователями в экспериментах по виброобработке Al-Fe, Al-Nb, Al-W, Al-Ti, Al-Zr, в математическом обеспечении технического содержания полученных патентов.
На защиту выносятся:
Новый метод получения композиционных сплавов низкочастотной обработкой их расплавов, включающий
- экспериментальное и теоретическое моделирование низкочастотной обработки композиционных расплавов, определение оптимальных режимов воздействия НЧК на расплав;
-исследование влияния факторов, препятствующих замешиванию порошковых добавок в расплав, и разработка способов, обеспечивающих замешивание вопреки влиянию этих факторов;
- воздействие низкочастотной обработки на композиционный расплав как фактор измельчения структурных составляющих сплава;
- новый способ получения сплава Al-Pb и нанесение 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 более 50 печатных работ, из них 26 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 2 приложений. Основной текст занимает 264 стр., включает 52 рисунка и 10 таблиц.
