Введение к работе
Актуальность проблемы. При изучении строения и свойств жидких металлических растворов часто отмечаются признаки их микрогетерогенности. Дискуссионным остается вопрос о ее происхождении н характерном масштабе. Существует ряд альтернативных представлений, однако для того, чтобы сделать обоснованный выбор между ними, нет достаточных оснований. Дело в том, что, по-видимому, единственным экспериментальным методом определения масштаба микрогетерогенности является малоугловое рассеяние рентгеновских лучей и нейтронов. К сожалению, на сегодняшний день в мире нет экспериментальной установки, позволяющей исследовать данным методом высокотемпературные металлические расплавы. В этих условиях наиболее продуктивным путем изучения их микрогетерогепности является проведение тщательно спланированных " решающих" экспериментов, результаты которых, хотя и косвенно, но свидетельствовали бы в пользу тех или иных представлений.
В последние 10 лет наблюдается возрождение коллоидных представлений о строении расплавов. В отличие от работ 40-летней давности, их коллоидные состояния трактуются сейчас как метастабильные или неравновесные с большим временем релаксации. Происхождение такой сравнительно крупномасштабной гетерогенности авторы связывают с наследственными факторами: плавлением гетерогенных исходных слитков или смешением разнородных компонентов вблизи ликвидуса. Фактором, стабилизирующим дисперсные частицы в такой системе, является межфазное натяжение на их границах, специфическим образом зависящее от радиуса частицы.
Если указанные представления верны, следует ожидать существенного влияния микроскопических добавок веществ, эффективно снижающих межфазное натяжение на границах дисперсных частиц, на термическую
устойчивость микрогетерогенных состояний расплавов. Однако до настоящего времени целенаправленных исследований в этом направлении не проводилось.
Вопрос о влиянии поверхностно-активных примесей на устойчивость микрогетерогенности расплавов важен и с практической точки зрения. Известно, что перевод расплава из микрогетерогенного состояния в состояние истинного раствора в результате нагрева до высоких температур или ультразвуковой обработки обычно способствует повьппению качества питого и деформированного металла. Однако указанные виды воздействий не всегда осуществимы на практике. Микролегирование расплава поверхностно-активными добавками может оказаться наиболее доступным способом гомогенизации расплавов при стандартных температурах их выплавки в производственных условиях.
Настоящая работа посвящена целенаправленному исследованию влияния примесей на термическую устойчивость микрогетерогенных состояний в расплавах на основе алюминия, никеля и железа. Основная информация была получена при измерении их поверхностного натяжения, плотности и вязкости.
Цель работы. Выявить факты существенного влияния примесей на температуру разрушения микрогетерогенных состояний расплавов; подобрать модель микрогетерогенности, адекватную полученным результатам, и разработать рекомендации по микролегированию расплавов примесями с целью снижения температуры гомогенизации расплавов.
Научная новизна.
1. Впервые измерены температурные зависимости поверхностного натяжения, плотности и вязкости ряда жидких сталей и многокомпонентных алюминиевых сплавов (1541, АЛ4, АЛ9, Al-Cu-Zi), а также температурные зависимости кинематической вязкости расплавов Al-Sn с примесями Mg, Cd, Zr, Gd, Sc, Zn, Ті, Mn, В; уточнены имеющиеся данные по поверхностному натяжению и плотности расплавов Ni-B.
-
Во всех исследованных системах обнаружено ветвление температурных зависимостей свойств, полученных при нагреве и последующем охлаждении, которое свидетельствует о необратимом разрушении микрогетерогенного состояния расплавов; по получении результатам определены температуры перехода расплавов из микрогетерогенного состояния в состояние истинного раствора (температуры гомогенизации
-
На примере алюминиевых расплавов показано, что в тех случаях, когда изотермическая выдержка при Г > Ткот недостаточно продолжительна, при их охлаждении восстанавливается микрогетерогенное состояние.
-
Установлено, что темлературно-временные условия перехода расплавов АІ-Zr из микрогетерогенного состояния в состояние истинного раствора зависят от дисперсности, морфологии и кристаллической структуры выделений Al$Zr в исходной шихте; таким образом, обосновано представление о наследственной природе микрогетерогенного состояния расплавов.
-
Показано, что вся совокупность полученных данных может быть качественно (а в случае бинарной системы Ni-B - и количественно) интерпретирована с позиции коллоидной модели микрогетерогенности расплавов.
-
В рамках градиентного приближения Кана-Хиллиарда рассчитана температура гомогенизации и наиболее вероятные размеры дисперсных частиц в расплавах Ni-B; впервые проведено уточнение полученных результатов для случая эквиатомной разделяющей поверхности.
-
Установлено, что введение примесей, поверхностно-активных на границах коллоидных частиц, при условии правильно выбранной их концентрации может снизить температуру гомогенизации расплавов Al-Sn до значений, близких к ликвидусу; превышение же оптимальной концентрации ПАВ может привести к формированию микрогетерогенности на
основе примесных элементов. Практическая ценность.
-
Сконструирована и изготовлена быстродействующая установка для измерения плотности и поверхностного натяжения высокотемпературных расплавов методом "большой" капли с автоматической регистрацией формы капли и расчётом искомых величин на персональном компьютере; после метрологической аттестации и доработки отдельных узлов она может быть рекомендована к использованию в других лабораториях.
-
Результаты измерений поверхностного натяжения и плотности многокомпонентных промышленных композиций использованы для совершенствования технологических режимов их выплавки.
-
Определённые в работе температурмо-хонцентраимонные границы области микрогетерогенности расплавов Ni-B могут быть использованы для оптимизации технологии вьгалавки аморфных магнитомягких материалов с целью повышения их гомогенности.
-
Разработанные рекомендации по введению в расплавы добавок поверхностно-активных веществ открывают новый способ гомогенизации расплавов с целью повышения качества слитков и отливок, не требующий модернизации технологического оборудования.
На защиту выносится:
-
Конструкция быстродействующей установки для измерения плотности и поверхностного натяжения расплавов методом "большой капли" с телевизионной регистрацией изображения капли и синхронной компьютерной обработкой результатов.
-
Результаты измерений поверхностного натяжения, плотности и вязкости указанных выше систем.
( 3. Термодинамические оценки дисперсности частиц и границ их термической устойчивости в расплавах Ni-B.
4. Результаты, свидетельствующие о существенном влиянии поверх-
ностноакташных веществ на температуру гомогенизации расплавов А1-Sn.
-
Рекомендации по микролегированию расплавов присадками по-верхностноактивных веществ с целью снижения температуры их гомогенизации.
-
Технологические режимы температурно-временной обработки ряда сталей и сплавов, обеспечивающие повышение качества слитков и отливок.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и опубликованы на следующих конференциях, совещаниях и семинарах: Научно-техническая конференция "Молодые учёные и специалисты чёрной металлургии Урала - научно-техническому прогрессу" (Свердловск, 1987); X Уральская школа металловедов-термистов "Ускорение технического прогресса в металловедении и термической обработки сталей и сплавов" (Устинов, 1987); Всесоюзная научно-техническая конференция "Металл и технический прогресс" (Москва, 1987); Всесоюзное совещание "Взаимосвязь жидкого и твёрдого металлических состояний" (Свердловск, 1987); Научно-технический семинар "Ближний порядок в металлических расплавах и структурно-чувствительные свойства вблизи границы устойчивости фаз (Львов, 1988); Научно-техническая конференция "Наследственность в литых сплавах" (Самара, 1993); 1 Украін-ская конференція "Структура і фізичні властивості невпорядкованих систем (Львів, 1993); Eighth International Conference on High Temperature Materials Chemistry (Vienna/Austria, 1994); An International Conference "High temperature capfflarity" (Bratislava/Slovakia, 1994).
Сруктура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка цитируемой литературы и приложения. Она содержит 156 стр. текста, 57 рис. и 10 табл.