Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
42
НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
ФІЗИКО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ІНСТИТУТ МЕТАЛІВ ТА СПЛАВІВ
УДК 621.745.4/.5+669.017/715.018.28
НАУКОВІ ТА ТЕХНОЛОГІЧНІ ЗАСАДИ МОДИФІКУВАННЯ ЛИВАРНИХ АЛЮМІНІЄВИХ СПЛАВІВ АЗОТОМ І АЗОТОВМІСНИМИ ДИСПЕРСНИМИ ТУГОПЛАВКИМИ ЧАСТИНКАМИ
Спеціальність 05.16.04 - Ливарне виробництво
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
КИЇВ - 2005
Дисертація є рукописом.
Робота виконана в Національному технічному університеті України "Київ-ський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України.
|
Науковий консультант: |
Член-кореспондент НАН України, доктор технічних наук, професор ЧЕРНЕГА ДМИТРО ФЕДОРОВИЧ, Національний технічний університет України "КПІ" Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри. |
|
Офіційні опоненти: |
|
|
Член-кореспондент НАН України, доктор технічних наук, професор БОРИСОВ ГЕОРГІЙ ПАВЛОВИЧ, Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, завідувач відділом ; |
|
|
Член-кореспондент НАН України, доктор технічних наук ІЩЕНКО АНАТОЛІЙ ЯКОВИЧ, Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, завідувач відділом ; |
|
|
Доктор технічних наук, професор ЛУНЬОВ ВАЛЕНТИН ВАСИЛЬОВИЧ, Запоріжський державний технічний університет Міністерства освіти і науки України, директор фізико-технічного інституту, завідувач кафедри. |
Провідна установа: Національна металургійна академія України, кафедра ливарного виробництва, Міністерство освіти і науки України, м. Дніпропетровськ.
Захист відбудеться "29" вересня 2005 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.232.01 Фізико-технологічного інституту металів та сплавів НАН України.
Відгуки, засвідчені печаткою, просимо надсилати за адресою:
, Київ - 142, МСП, пр. Вернадського, 34/1, ФТІМС НАН України.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Фізико-технологічного інституту металів та сплавів НАН України.
Автореферат розісланий 29 серпня 2005 р.
|
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 26.232.01 доктор технічних наук |
Тарасевич М.І. |
Актуальність теми. Прогрес у будь-якій області машинобудування, де алюмінієві сплави знаходять усе більш широке застосування, визначається можливістю одержання конструкційних металевих матеріалів з високими експлуатаційними характеристиками. На сьогодні створена широка номенклатура як ливарних алюмінієвих сплавів, так і тих, що підлягають деформуванню. Але постійно зростаючий в Україні дефіцит і вартість алюмінію і легуючих компонентів заважає широкому використанню алюмінієвих сплавів у машинобудуванні. У деякій мірі це питання може бути вирішене шляхом широкого застосування звороту власного виробництва і металевого брухту при виплавці відповідних сплавів. Але в цьому випадку алюмінієві сплави можуть забруднюватися залізом, яке негативно впливає на їхні механічні властивості.
Аналіз літературних даних і накопичений автором досвід показують, що такий розповсюджений елемент, як азот або його сполуки, що вважалися в кращому разі нейтральними домішками в алюмінієвих сплавах, за певних умов виявляють себе як високоефективні зміцнювачі. Вони можуть не тільки нейтралізувати негативний вплив заліза в алюмінії і його сплавах, а й навіть підвищити механічні властивості простих за складом сплавів до рівня легованих за рахунок впливу на морфологію структурних складових і додаткового дисперсного зміцнення. Насамперед це стосується ливарних алюмінієвих сплавів і особливо силумінів, що найбільш масово застосовуються в машинобудуванні, але мають щонайнижчі механічні властивості.
Однак, до постановки цієї роботи були відсутні як теоретичні закономірності взаємодії і впливу азоту й азотовмісних тугоплавких сполук на структуру і механічні властивості ливарних алюмінієвих сплавів, так і технологічне обґрунтування оптимальних меж вмісту азоту або його тугоплавких сполук.
Тому робота, яка спрямована на створення теоретичних і технологічних засад зміцнення азотом і дисперсними тугоплавкими азотовмісними сполуками ливарних алюмінієвих сплавів, є актуальною.
Велику допомогу автору у визначенні мети досліджень і критичному аналізі отриманих результатів надав науковий консультант член-кореспондент НАН України Чернега Д.Ф., а в проведенні експериментальних досліджень і їхньому практичному впровадженні - співробітники кафедри "Фізико-хімічні основи технології металів" НТУУ "КПІ".
Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася в рамках: координаційного плану науково-дослідних робіт на 1986-1990 р.р., наукова проблема 2.25.1.5 "Розробка теорії ливарних процесів, що забезпечують створення і розвиток високоефективних маловідхідних і безвідхідних технологій із застосуванням зовнішніх впливів на метал, що кристалізується," АН УРСР (№№ ДР 02870071, 01880008844); програми № 21 Міносвіти України "Розробка нових конструкційних металевих матеріалів і технологій їхнього виробництва на основі енерго- і ресурсозберігаючих одностадійних процесів з використанням сировинної бази і техногенних відходів України" (1992-1995 р.р.), пр. 3.3, тема № 2445; державних науково-технічних програм (1993-1996 р.р.) 07.02.00 “Нові металічні матеріали” ("Розробка технологічних схем одержання міцних і високоміцних алюмінієвих сплавів з використанням економічних модифікаторів на базі скандію, його сполук, нітридів металів і вторинної сировини", № ДР 07.02.12/053-93) та 05.42.00 “Ресурсозберігаючі та екологічно чисті процеси в металургії і ливарному виробництві” ("Розробка й освоєння виробництва лігатур для модифікування алюмінієвих і магнієвих сплавів на основі ультрадисперсного порошку карбонітриду титана", № ДР 05.42.08/265-93).
Мета і задачі дослідження. На основі нових даних про структуроутворення та зміцнення алюмінієвих сплавів азотом та дисперсними тугоплавкими частинками, які необхідні для розробки нових технологій, що забезпечують формування модифікованої структури виливків та підвищення механічних властивостей ливарних алюмінієвих сплавів, одержати результати, які сприяють розвитку теорії модифікування підвищенню якості цих сплавів і поширенню їх використання в промисловості.
Для досягнення поставленої мети необхідно було виконати комплекс досліджень з теоретичних і практичних аспектів взаємодії азоту і дисперсних тугоплавких нітридів з ливарними алюмінієвими сплавами на стадіях рідкого металу, кристалізації і при термічній обробці виливка. Тому були сформульовані і вирішені наступні задачі:
- дослідити взаємодію рідкого алюмінію і його сплавів з азотом;
- вивчити поводження тугоплавких частинок у рідкому металі в умовах іх конвективного переносу та їх вплив на процес кристалізації алюмінію і силумінів;
- розробити способи вводу азоту і нітридів у розплави на основі алюмінію, які відрізняються низькою трудомісткістю і собівартістю;
- розробити технологію вводу азоту і нітридів у алюмінієві сплави з метою найбільшого засвоєння їх розплавом і одержання максимальних механічних властивостей сплавів у литому і термообробленому стані;
- встановити механізм модифікування сплавів азотовмісними тугоплавкими частинками;
- розробити технологічний процес зміцнення ливарних алюмінієвих сплавів азотовмісними сполуками, і провести дослідно-промислові випробування.
Об'єкт дослідження. Процес модифікування та зміцнення ливарних алюмінієвих сплавів.
Предмет дослідження. Механізм модифікування ливарних алюмінієвих сплавів азотом і дисперсними азотовмісними тугоплавкими частинками та закономірності зміни механічних властивостей і структури сплавів при модифікуванні.
Взаємодію азоту з розплавами вивчали на сплавах алюмінію з основними легуючими елементами (Sі, Cu, Tі і Mn). Дослідження проводили на алюмінії А99, промислових сплавах (АК12, АК7, АК5М2, АК9, АК8М, КС740, АМ4,5Кд –ДСТУ 2839-94) із припустимим і збільшеним вмістом заліза і модельних сплавах (Sі - 4-12%, Mg - 0,2-1%, Cu - 1-8%, Zn - 0,2-1,2%, Fe - 0,5-1,5%, Mn - 0,2-1%, Al - інше).
Методи дослідження. При виконанні роботи використовували метод планування експерименту, розроблену методику вивчення массопереноса азоту в алюмінієвих розплавах і стандартні методи дослідження: оптичну металографію (на мікроскопах МІМ-7, NEOPHOT-4 і NEOPHOT-21 в інтервалі збільшень 200...800 з індикаторним травленням на кожну фазу); мікродюрометрію (на приладі ПМТ-3); рентгенофазовий аналіз (на діфрактометрах ДРОН-3 і ДРОН-4); мікрорентгеноспектральний аналіз (на мікроаналізаторах "CAMECA", "CAMEBAX", "PHІLІPS"); Оже-спектроскопію (на мікроскопі JAMP-10S); рентгенівський спектральний аналіз (на спектроаналізаторі фірми "TEFA"); растрову електронну мікроскопію (на приладах РЕМ-200, JAMP-10S і фірми "PHІLІPS"); електронно-мікроскопічний аналіз (на мікроскопах EF4 фірми "Карл Цейс" і JEM-200cx); хімічний аналіз (на спектрографі ІСП-22); вміст азоту визначали методом К’єльдаля; вміст газів у металі - вакуумним плавленням; газову пористість - у відповідності до ДСТУ 2839-94 шляхом порівняння з еталонами; механічні іспити при розтяганні проводили на розривній машині FP100/1; твердість вимірювали за Бринелем; ділатометричний аналіз проводили на стандартному катковому дилатометрі; використовували диференціальний термічний аналіз.
Наукова новизна результатів, отриманих в дисертації.
1. Встановлено, що азот з газової суміші з воднем абсорбується рідким алюмінієм і його сплавами при температурах 1023-1223 К. Визначені механізм та коефіцієнти дифузії азоту у розплавах алюмінію і його сплавах з Sі, Cu, Tі і Mn в умовах протоку газу через розплав. Встановлено, що у проточних системах утворення нітридів може не відбуватися.
2. Визначені умови одержання стійкої суспензії "розплав-тверді частинки" в залежності від розміру і густини частинки, густини і динамічної в’язкості металу, лінійної швидкості та радіусу конвективного потоку і кута змочування частинки розплавом.
. Встановлено вплив модифікування алюмінієвих сплавів тугоплавкими азотовмісними частинками на структуроутворення, який виявляється в зміні розмірів фаз, що первинно кристалізуються, евтектичних фаз і внутрішньої будови зерен і механізми модифікування.
. Встановлено одночасне екстремальне зростання тимчасового опору розриву, відносного подовження і твердості промислових сплавів системи Al-Si при модифікуванні азотом і тугоплавкими частинками в залежності від їхньої кількості.
Достовірність та обґрунтованість наукових положень, висновків і реко-мендацій базується на фундаментальних закономірностях кінетичної теорії газів, фізики рідкого та твердого стану і термодинаміки утворення хімічних сполук. Застосування широкого комплексу сучасних методів дослідження й обробки експериментальних даних, узгодження розрахунків з експериментами гарантує достовірність отриманих результатів, а успішна дослідно-промислова перевірка в умовах різних підприємств її підтверджує.
Практична значимість:
- розроблено способи та режими введення азоту і тугоплавких частинок в алюмінієві розплави;
- розроблено склад нітридовміщуючих модифікаторів;
- розроблено режими термообробок литих деталей з модифікованих нітридами алюмінієвих сплавів, які характеризуються зменшенням часу витримки деталей при температурі гомогенізації під гартування і зменшенням температури старіння;
- дослідно-промислові випробування розробленої технології показали можливість заміни сплава для ротора генератора на більш дешевий в умовах ливарного цеху Орджонікідзевського заводу автотранспортного електроустаткування і знизити брак литва на 2,5%;
- в умовах АТ "Київтрактородеталь" використання розробленої технології дало можливість знизити брак кріпильних плит на 4%, а на АНТК "Антонов" підвищити тимчасовий опір розриву сплаву АМ4,5Кд на 15%, відносне подовження - на 25% при литті корпусних деталей;
- результати роботи впроваджені в навчальний процес у рамках курсів "Литі композиційні матеріали" і "Фізичні властивості металевих і шлакових розплавів".
Особистий внесок здобувача. Освоєння і випробування технологій на підприємствах відбувалося при безпосередній участі автора разом із співробітниками кафедри "Фізико-хімічні основи технології металів" НТУУ "КПІ" і працівниками відповідних підприємств.
В основних роботах, що опубліковані у фахових виданнях, авторові належить:
- у роботах 10 та 11 (тут і надалі нумерація за списком опублікованих робіт) - постановка задачі, ідея обробки сплавів нітридовмісним флюсом, аналіз результатів хімічного і рентгенофазового аналізу шлаків і висновки щодо механізму переходу частинок у розплав;
- у роботі 12 - постановка задачі, технологічна схема одержання сплавів з дисперсними тугоплавкими частинками, класифікація способів введення частинок у розплави;
- у роботі 14 - постановка задачі дослідження, аналіз результатів і висновки щодо механізму модифікування алюмінію та результати впливу нітридів на механічні властивості сплаву АМ4,5Кд;
- у роботах 18 та 19 - постановка задачі, результати щодо обробки сплавів нітридовмісними брикетами на металевій основі, висновки щодо механізму модифікування алюмінію, аналіз впливу дисперсних частинок на механічні властивості і на режими термічної обробки сплавів і висновки;
У роботі 14 додаткових видань авторові належить установлена реакція взаємодії фторцирконата калію з рідким алюмінієм у нерівноважних умовах і можливий механізм модифікування алюмінію.
В інших роботах, що опубліковані в співавторстві, особисто автору належать постановка задач, наукові і теоретичні положення, аналіз результатів і висновки.
Апробація роботи. Матеріали дисертації повідомлені й обговорені на XXІ сесії Наукової ради "Сучасний стан і перспективи одержання й обробки матеріалів термопластичною деформацією, імпульсними і висококонцентрованими джерелами нагрівання" (Київ, 1985); ІV, V і VІІІ Республіканській науково-технічній конференції "Неметалеві включення і гази в ливарних сплавах" (Запоріжжя, 1985, 1988, 1997); V-й Республіканській науково-технічній конференції "Підвищення технічного рівня й удосконалення технологічних процесів виробництва виливків" (Дніпропетровськ, 1990); V-й науково-технічній конференції з міжнародною участю (Самара, 1993); 30-й щорічній конференції "The Іsrael Socіety for Mіcroscopy" (Іsrael, 1996); міжрегіональній конференції з міжнародною участю "Ультрадисперсні порошки, матеріали, наноструктури. Одержання, властивості, застосування" (Красноярськ, 1996); міжнародній науково-технічній конференції "Кристалізація і властивості сплавів. Передові технології" (Київ, 1997); 5 vedecka konferencіa s medzіnarodnou ucast'ou "CO-MAT-TECH '97" (Trnava, 1997); міжнародній науково-технічній конференції "Виробництво сталі в ХХІ столітті. Прогноз, процеси, технології, екологія" (Київ - Дніпродзержинськ, 2000), міжнародній науково-технічній конференції "Спеціальна металургія: вчора, сьогодні, завтра" (Київ, 2002), 5 konferencja naukowo-techniczna odlewnictwa metali niezelaznych “Nauka i technologia” (Lucien, 2002) і ще на 18-ти науково-технічних конференціях і семінарах в Україні і Росії з 1985 по 2004 р.р.
Публікаціїроботи. За результатами виконаних досліджень опубліковано 51 роботу, з них 24 основні та 27 додаткових: 1 брошура, 25 статей в науково-технічних журналах, 5 статей в збірках наукових праць, 8 статей у матеріалах конференцій та 12 авторських свідоцтв на винахід. Окрім цього опубліковано 15 тез доповідей.
Обсяг і структура дисертації. Дисертація містить у собі 350 сторінок, включаючи 116 ілюстрацій, 54 таблиці та складається з вступу, семи розділів, загальних висновків, додатків і бібліографії, що включає 241 літературне джерело. Текстова частина викладена на 281 сторінці.
На захист виносяться наукові і технологічні засади використання азоту й азотовмісних дисперсних тугоплавких сполук, як модіфікатора ливарних алюмінієвих сплавів, а саме:
- абсорбція азоту алюмінієм і його бінарними сплавами з Sі, Cu, Tі і Mn;
- модифікування сплавів дисперсними тугоплавкими азотовмісними частинками, що не змочуються рідким металом, в умовах перемішування металу різної інтенсивності і присутності поверхнево-активних речовин у розплавах;
- вплив дисперсних тугоплавких частинок нітридів, на формування структури алюмінію і його сплавів при кристалізації, механізми подрібнення структурних складових силумінів;
- вплив азоту і нітридів на структуру і механічні властивості силумінів.
У вступі показаний стан наукової проблеми, обгрунтовано актуальність і доцільність виконання досліджень, сформульовано мету й задачі даної роботи, визначено її наукову новизну і практичну значимість.
Проведений упершому розділі аналіз літературних даних показує, що вирішити практичну проблему підвищення механічних властивостей ливарних алюмінієвих сплавів можна модифікуванням, тобто шляхом зміни форми та розмірів евтектик, інтерметалідів та первинних зерен і загальним підвищенням механічних властивостей за рахунок дотаткового дисперсного зміцнення матриці.
В цьому випадку елемент, який необхідно ввести до металу повинен відповідати наступним вимогам:
Цим вимогам в найбільшому ступені відповідає азот, оскільки за деякими, але протирічними даними він може розчинюватися в рідкому алюмінії і утворювати нітриди алюмінію при температурах від 673 К до 1098 К.
Одержання ендогенних нітридів в металі проводиться насиченням з газового азотовмісного середовища з активацією азоту. Але одна з найбільш важливих проблем азоту в алюмінії та його сплавах - це достовірність характеристик дифузії та розчинності. Такі дані малочисельні і мають суперечливий характер, але без вивчення взаємодії азоту з рідкими алюмінієм і його сплавами неможливе створення наукових засад і технологій зміцнення сплавів азотом.
Проведений в роботі аналіз можливості взаємодії азоту з рідким алюмінієм показав (рис. 1), що при проведенні такої реакції у присутності іонів водню молекула азоту може адсорбуватися поверхнею розплава за кінцевим типом із значною її поляризацією. У присутності підвищеної кількості електронів поблизу поверхні металу, завдяки розчиненню в ньому водня, може відбуватися перехід до бокового типу зв'язування, що активує азот. Між атомами металу, азоту й водню можливе створення моно-гапто-комплексів, що додатково знижує силу зв'язку між атомами азоту. Оскільки рідкий алюміній має більше двох валентних електронів на атом, то може виникати розрив останнього слабкого зв'язку між атомами азоту, який одержує можливість переходити в метал. Це дає змогу розробити методику та вивчити дифузію азоту в рідкому металі.
З іншого боку можливе введення екзогенних частинок нітридів у метал. Аналіз літературних даних показує, що обробка рідкого металу дисперсними тугоплавкими нітридами, карбідами, карбонітридами, оксидами сприяє підвищенню механічних властивостей алюмінієвих сплавів і подрібненню їх структури. Але систематичного вивчення цього питання не проводилося і в переважній більшості пояснення впливу дисперсних частинок на механічні властивості та структуру сплавів не підтверджені прямими експериментами і мають характер припущень.
У процесі обробки розплаву дисперсними тугоплавкими частинками вже на етапі вводу виникають складності, що пов'язані з їх засвоєнням, У звязку з цим найбільшою проблемою в реалізації технології модифікування алюмінієвих розплавів дисперсними тугоплавкими частинками постає незмочуваність рідким металом практично всіх їх типів.
Аналіз структуроутворення при модифікуванні силумінів вказує на те, що підвищення механічних властивостей цих сплавів - це в першу чергу подрібнення як подвійної алюміній-кремневої, так і багатокомпонентних евтектик.
Проведений аналіз дав можливість сформулювати мету та задачі дослідження.
У другому розділі обгрунтовано вибір матеріалів та легуючих компонентів для дослідження, наведено характеристику цих матеріалів і технологію проведення дослідних плавок в печах опору типу СШОЛ місткістю 3 і 10 кг і САТ-0,16 з чавунним тиглем і також в індукційній печі ІАТ-0,4 у графітовому тиглі.
Подано опис методів планування експерименту при вирішенні задач оптимізації і одержані рівняння регресії.
Наведено перелік широкого кола фізичних методів дослідження, що забезпечують комплексний підхід до вивчення поставлених в першому розділі задач та дозволяє одержати різнобічні експериментальні дані і висновки з високою надійністю й достовірністю.
У третьому розділі наведено опис і обгрунтування розроблених способів одержання нітридів у металі (азотація з газової суміші, активація азоту низькотемпературною плазмою або плазмою тліючого розряду; активація синтетичних нітридів сумішшю порошкових матеріалів або твердофазна активація, рідиннофазна активація флюсом, вібро-обробка розплаву з нанесеними на його поверхню нітридами) та результати механічних випробувань зразків одержаних сплавів.
Обгрунтування азотації алюмінію з газової суміші водню з азотом проведено з використанням фундаментальних закономірностей кінетичної теорії газів, фізики рідкого стану і термодинаміки утворення хімічних сполук. З урахуванням парціального тиску газів і температури розраховано швидкості молекул азоту і водню в газовій фазі над металом, середні довжини вільного пробігу молекул, час падіння молекул на поверхню розплава і вірогідність потрійного зіткнення молекул азоту і водню з поверхнею алюмінію. Це дозволило розрахувати концентрацію атомів азоту в поверхневому шарі металу. Показано, що в умовах протоку газу через розплав, якщо відведення атомів азоту з цього поверхневого шару відбувається найповільнішим шляхом кооперативної дифузії, критична кількість атомів азоту, необхідна для утворення в розплаві нітриду (на 9 атомів алюмінію –атомів азоту), не досягається.
Термодинамічними розрахунками доведено, що утворення нітриду алюмінію з азоту та рідкого алюмінію у вигляді дисперсної фази, приводить до значного збільшення вільної енергії такої реакції за рахунок зростання поверхневої енергії AlN. Так поправка на поверхневу енергію в стандартних умовах при утворенні нітриду алюмінію при 1373К складає тільки 8,52*10-3 Дж/моль, а при розмірі нітридів 1,2*10-9 м складає 172176 Дж/моль. Утворення нітридів менших розмірів для умов розрахунку термодинамічно не ймовірне і при температурах нижчих ніж 1373 К необхідно, щоб порогова концентрація азоту досягалася в об’ємі, який відповідає мінімум 18 елементарним ячейкам нітриду. А це в умовах квазістаціонарного потоку газу через розплав в проведених експериментах не може бути реалізовано. Однак легко реалізується в стаціонарних системах абсорбції азоту.
Наведено дані про розроблену методику вивчення дифузії азоту в рідких алюмінії та його сплавах, яка заснована на вимірах швидкості проникнення азоту скрізь шар рідкого металу з суміші водню та азоту. Аналіз одержаних кінетичних залежностей проникнення газу через метал дав змогу відпрацювати методику дослідження згідно якої спочатку досягали стаціонарного потоку водню через розплав, який вважали поправкою холостого досліду, а потім напускали азот.
Визначено, що процес обробки розплаву азото-водневою атмосферою в умовах протоку газу через розплав оборотний, а обробка розплаву силуміну азото-водневою газовою сумішшю і охолодження сплаву без дегазації призводять до появи у твердому сплаві нітридів.
Для порівняння дифузії азоту з дифузією водню були проведені експерименти по визначенню коефіцієнтів дифузії азоту за часом запізнення у встановленні стаціонарного потоку газу через метал. Вивчення дифузії азоту в рідких алюмінії та його сплавах з Sі, Сu, Ті і Мn при температурах 1023-1223 К дозволило розрахувати температурні залежності і енергії активації дифузії. Відхилення одиничних вимірів відносно середнього для коефіцієнту дифузії становить до 10%.
Величини коефіцієнтів дифузії азоту (~10-7 м/с) дають підстави припустити відсутність в розплаві хімічної сполуки (тоді коефіцієнт дифузії значно знижується), розташування атомів азоту в розпорядкованій зоні і дифузію атомів азоту по цій зоні з хаотичним розташуванням атомів тому, що при кооперативному механізмі коефіцієнт дифузії домішки повинен наближатися до коефіцієнта дифузії розчинника, тобто бути на два порядки нижчі. Можливо в металі виникають мікроугруповання атомів алюмінію та азоту за своїм складом близькі до нітриду алюмінію.
Виходячи з теорії мікрогетерогенної будови рідини концентраційні залежності дифузії азоту в бінарних сплавах свідчать про те, що дифузія азоту являє собою структурно-чутливу характеристику і вказує на мікрогетерогенну будову розплавів, тобто на існування в них різних за складом мікроугруповань (SіАln, ТіАln, СuАln, МnАln) і мінливість чисельності і розмірів комплексів атомів упорядкованих областей. Посилення міжатомних зв'язків в упорядкованих комплексах різнойменних атомів приводить до підвищення рухомості азоту на межі разпорядкована область - мікроугруповання.
В заевтектичних силумінах значне зниження коефіцієнту дифузії азоту, може бути пов'язане з посиленням взаємодії між мікроугрупованнями і азотом, що приводить до поступової зміни механізму дифузії з активаційного на кооперативний. При цьому коефіцієнт дифузії азоту прямує за своєю величиною до коефіцієнта самодифузії розчинника (10-9 м/с). Таким чином в заевтектичних Аl-Si сплавах існує підвищена імовірність утворення міцних мікроугруповань атомів азоту з кремнієм.
Порівняльний аналіз концентраційних залежностей дифузії азоту і водню в бінарних сплавах алюмінію з Si, Cu, Ti та Mn показав: якщо коефіцієнт дифузії водню підвищується при легуванні, то коефіцієнт дифузії азоту знижується. При цьому протилежні зміни повинні пояснюватися однією і тією ж будовою металевого розплаву.
Якщо у стані покою водень в металі знаходиться у вигляді екранованого протона, а його активована дифузія відбувається у вигляді протона, то водень при дифузії відносно легко проходить через усі структурні одиниці розплаву (мікроугруповання і розпорядковану зону). Тому посилення взаємодії між різнойменними атомами розплаву, або локалізація міжатомних зв’язків у мікроугрупованнях, призведе до зниження коефіцієнта дифузії водню і навпаки.
Що стосується дифузії азоту, то якщо дифузія його відбувається активаційним шляхом по розпорядкованій зоні розплаву, то посилення міжатомних зв’язків всередені мікроугруповань приведе до збільшення ймовірності флуктуацій вільного об’єму рідини поблизу цього мікроугруповання і, відповідно, збільшиться рухомість атомів азоту в розпорядкованій зоні.
Тому зміни коефіцієнтів дифузії водню і азоту при легування алюмінію міддю, кремнієм, титаном і марганцем підтверджують механізм дифузії азоту по розпорядкованій зоні розплаву.
Результати випробувань показали, що при азотації із газової суміші N+H тимчасовий опір розриву сплава АК7 збільшився в 1,6 рази, твердість - в 1,4 рази, зносостійкість - в 1,6 раза. Спосіб простий в здійсненні і не потребує дорого обладнання. За рахунок активації азоту низькотемпературною плазмою при плавці сплаву АК7 з використанням плазмотрона прямої дії з катодом на розплаві при одночасному вакуумуванні металу через порувате дно тигля, вдалось підвищити тимчасовий опір сплаву в 1,3, твердість - в 1,4 рази та підвищити зносостійкість в 1,7 рази.
Плавка сплаву АК5М2 з активацією азоту плазмою тліючого розряду показала, що твердість, мікротвердість і структура одержаних виливків змінюються в різному ступені в залежності від часу плазмової обробки. Мікротвердість матриці сплаву зменшується, що дозволило припустити її очищення від домішок.
Розробка способів введення синтетичних частинок у розплав пердбачає подолання так званих "реактивних" сил, які перешкоджають їх укоріненню в рідкий метал. Ці сили визначаються адсорбційною взаємодією з поверхнею розплаву, присутністю на поверхні розплаву бар'єрної оксидної плівки, силами внутрішнього тертя чи в'язкості рідини, Архимедовою силою. Раціональний спосіб вводу частинок в розплав передбачає максимальну нейтралізацію негативного впливу цих факторів.
Використання вібрації для одержання нітридовмісної лігатури дозволяє вибирати за основу лігатури той сплав, який в наступному буде підлягати модифікуванню. Для поліпшення засвоюваності дисперсних нітридів розплавом використали режим вібрації, по якому частоту в початковий період плавки витримували 50...60 Гц (амплітуда коливань 0,5 - 1 мм обмежувалась викидами розплаву з тигля) і після розплавлення фольги, що містить порошок, робили віброудар із зазначеної частоти до 80...85 Гц із наступною витримкою при цій частоті. Як показав хімічний аналіз після 3-х хвилинної вібрації порошок засвоювався до 97,5%. Однорідність розподілення нітридів у твердому металі визначали за змінами у структурі донної та верхньої частин циліндричного виливка сплава АК7 висотою 200 мм і діаметром 40 мм. Іх мікроструктура майже не відрізняеться між собою.
При твердофазній активації намагались одержати високе засвоєння ДТЧ за рахунок створення на їх поверхні тонкого шару металевої фази, що змочується алюмінієм. Реалізований для технічно чистого алюмінію марки А7 повний факторний експеримент з модифікування, в якому факторами поставали вміст Аl, Мg, Zn і частинок ТiN в пресованому модифікуючому брикеті, а відгуками - тимчасовий опір розриву і відносне подовження алюмінію, показав, що зміни механічних характеристик можуть бути віднесені тільки за рахунок впливу частинок нітридів. Перевірена ефективність одержаних брикетів на складному синтетичному силуміні. Найкраща засвоюваність нітридів склала ~98%.
При рідиннофазній активації флюсу встановлено, що перехід частинок нітриду і цирконію у розплав із флюсу завершується впродовж 10-15 хвилин після нанесення флюсу на поверхню розплаву і супроводжується повним необоротним переходом їх через межу поділу фаз. В нерівноважних умовах продуктами реакції постають високотемпературні фторалюмінати калію, що утворюють на поверхні розплаву твердий шлак, який не здатний знову асимілювати тугоплавкі частинки:
24KZrF + 32AlP + nTiNу флюсі == 6KAlF + 9КАlF + 12КАlF + 24[Zr] +
+ nTiNу розплаві + 5{АlF} .
Цей спосіб активації тугоплавких частинок простий у виконанні та забезпечує практично 100 %-е засвоєння твердої фази. Для утримання нітридів у розплаві використали механічне перемішування.
У четвертому розділі виконано аналіз поведінки тугоплавких частинок у рідкому металі, встановлено граничну межу розміру нітридів, призначених для введення в алюмінієві сплави, проведено дослідження механізму подрібнення структури та зміцнення алюмінієвих сплавів дисперсними тугоплавкими частинками.
Аналіз поведінки частинок в циркулюючому потоці розплаву показав, що критичний діаметр сферичної частинки (d), при якому вона буде довгий час знаходитися в потоці металу, змінюється в межах 2*10-5-4*10-4 м. Частинки можна умовно поділити на сталі в циркулюючому потоці (d< 20 мкм), несталі (d >400 мкм) і перехідні (20 мкм< <d<400 мкм), рух яких залежить від режиму обертання металу. Траєкторія руху частинки являє собою суперпозицію трьох функцій: равлика Паскаля, спіралі Архімеда і кола. В залежності від зміни параметрів обертання і частинок буде переважати одна з форм траєкторії або рух буде відбуватися по більш складним траєкторіям.
Проведені розрахунки і дослідження показують, що частинки розміром менше ніж 10-6 м можуть довгий час знаходитися в конвективних потоках рідкого металу без виносу на межу поділу фаз метал-газ або метал-тигель. Поліпшення змочування веде до диспергування частинок.
Урахування адгезійних властивостей поверхні частинки призводить до зменшення її кутової швидкості, а зміна температури в межах 950 - 1050 К незначно (в межах 5%) впливає на співвідношення швидкостей частинки і металу. Аналіз математичної моделі процесу в інтервалі засвоюваності нітриду титану 95 - 100 % виявив оптимум при швидкості обертання імпелєра 550 об./хв., температурі металу 1053 К, часі замішування 100 секунд та вмісті нітриду титану у флюсі 40 %.
Аналізом сталості твердих частинок у розплавах за зміною вільної енергії системи в процесі росту на поверхні частинки шару твердої фази показано, що при будь-якій температурі на поверхні частинки утворюється деякий тонкий шар когерентної твердої фази або шар з іншою структурою чи острівці упорядкованості за рахунок компенсації поверхневої енергії частинки. Цей шар буде перешкоджати процесу розчинення частинки. Механізм подрібнення зерна алюмінію вивчався з використанням рідиннофазної активації частинок нітриду титану, а силумінів - твердофазної, оскільки при твердофазній активації ефект подрібнення зерна практично відсутній але відбувається подрібнення евтектик.
Термічним аналізом встановлено, що при однакових умовах нагріву алюмінію швидкість підвищення температури зразка, який оброблено нітридами з флюсу на основі фторцирконату калію, менша, ніж у випадку вихідного матеріалу чи обробленого тільки фторцирконатом калію. В нагріві зразків, що не містять нітриди, до температури плавлення розбіжностей не виявлено. Період плавлення помітно зростає в присутності нітридів, а сам процес відбувається в інтервалі температур на відміну від двох інших зразків, що може бути пов'язане з більш високою сталістю структури матеріалу. При обробці нітридами початковий і кінцевий періоди плавлення алюмінію проходять з усе більш низьким прискоренням. Враховуючи, що топлення металів відбувається відривом окремих блоків, то теплові ефекти в рідкому алюмінії при плавленні можуть бути пов'язані з руйнуванням блоків в розплаві. Присутність нітридів приводить до зсуву теплового ефекту в область більш високих температур. Тобто блочна структура алюмінію зберігається в рідині при різному перегріві в залежності від обробки розплаву.
Кристалізація алюмінію потребує переохолодження для утворення центрів кристалізації (рис. 2). В зразках з нітридами воно практично відсутнє, кристалізація відбувається в інтервалі температур, період кристалізації значно зменшується. Існують теплові ефекти в передкристалізаційний період при різних температурах в залежності від обробки розплаву: 960 К - для чистого алюмінію і 1000 К - в присутності нітридів. Вони можуть бути наслідком раннього формування зародків кристалізації.
З кінетики кристалізації циліндричних зразків (діаметр 20 мм, висота 50 мм) доевтектичного силуміну Аl - 10,5 % Si - 1,0 % Mg - 0,5 % Fe - 1,0 % Mn - 1,0 % Cu -1,2 % Zn походить, що при введенні нітридів загальний час твердіння скорочується
|
Температура, К |
Час холодження, с |
|
а |
|
|
dT/dt |
Часохолодження, с
|
б |
|
Рисунок 2. Зміна температури (а) і швидкості охолодження (б) при кристалізації алюмінію: - вихідний сплав; 2 - сплав, який модифіковано фторцирконатом калію; 3 - сплав, що модифікований сумішшю нітридів і фторцирконату калію. |
на 5-10 %. При цьому час кристалізації твердого розчину на основі алюмінію зменшується від 132 с до 94 - 105 с, а евтектик - від 75,6 с до 37,8 - 45,4 с. В результаті відбулося зменшення кількості твердого розчину і збільшення кількості евтектик, до складу яких входять: твердий розчин на основі алюмінію, залізовмісні, мідьвмісні фази, MgSi і Si, на 3,8 - 11,5 об'ємних %. Температурний інтервал кристалізації сплаву скоротився на 34 К.
Обробка заевтектичного силуміну КС740 оптимальною кількістю нітридів привела до зменшення об'ємної долі первинного кремнію з 20,3 % до 15,9 % та багатокомпонентних евтектик з 58,2 до 40,6 %, а кількість подвійної евтектики збільшилася з 21,5 до 43,6 %. Перевищення оптимальної кількості нітридів змінює вказані об'ємні долі в бік вихідного сплаву. Інтенсивність виділення кремнію при кристалізації сплаву з нітридами менша, оскільки твердіння сплаву при блокуванні нітридами зростаючих граней первинного кремнію відбувається не легким шляхом росту кристалів, а формуванням нових центрів кристалізації. Аналогічні зміни проходять і при кристалізації багатокомпонентних евтектик. Дисперсні нітриди впливають на всі структурні складові заевтектичного силуміну.
Встановлено, що подрібнення зерна алюмінію пов'язане з появою складних за своєю будовою і складом частинок, на яких відбувається ріст алюмінію. Вміст титану збільшується при переході від алюмінієвої матриці до поверхні частинки, яка збагачена також і цирконієм. Під цим поверхневим шаром знаходиться більш багата на алюміній фаза; безпосередньо ядро частинки оточене тонким шаром ще більш чистої з титану і цирконію фазою на основі алюмінію. Внутрішнє ядро являє собою конгломерат дрібних частинок з титаном і цирконієм. По мірі руху від поверхні вглиб частинки відбувається перерозподіл концентрацій цих елементів.
Обробка розплаву сумішшю фторцирконату калію та нітридів приводить до інтенсивного переходу частинок ТiN із флюсу в розплав. Не виключне створення конгломератів нітридів і після переходу окремих частинок з активованою цирконієм поверхнею в рідкий алюміній. Конгломерати нітридів постають як підкладинки з поверхнею стабілізованого шару або острівців упорядкованості алюмінію. Кристалізація алюмінію сприяє виштовхуванню окремих активованих цирконієм нітридів в об’єм розплаву. Таким чином, утворюється тонка оболонка навколо ядра найбільш чиста за титаном і цирконієм. Оскільки тверді частинки нітриду мають низьку рухомість в розплаві, то виникає пересичення ними розплаву перед фронтом кристалізації і наступні шари, що тужавіють, збагачуються нітридами і цирконієм. Цей процес закінчується, коли всі активовані цирконієм частинки поблизу центра кристалізації будуть пов'язані з ядром. Подальша кристалізація здійснюється шляхом росту дендритів. В місцях їх співдоторкань формуються границі зерен, що проявляється у вигляді рельєфу на поверхні шліфа. Таким чином, модифікування з активацією частинок нітридів фторцирконатом калію посилює гетерогенне зародкоутворення в алюмінії.
Вивчення впливу нітридів на структуру доевтектичних силумінів проводили на сплавах системи Аl-Si-Сu-Мg-Zn-Fе-Мn. В структурі досліджених сплавів присутні: твердий розчин на основі алюмінію, Sі, СuАl, АlFеSі, (Fе,Мn)SiАl, Аl(Fе,Мn)Sі, Аl(FеМn)Si, (АlFеSіСu), АlМgСuSі. Механічні властивості доевтектичних силумінів у найбільшому ступені залежать від форми евтектичного кремнію і багатокомпонентних евтектик, які мають форму ієрогліфів. Частинки нітриду титану, більшість з яких мають характерний розмір на один-два порядки менший за максимальний, який за сертифікатом складає 0,5 мкм, знаходяться в алюмінієвій матриці, на границях зерен, поблизу пластин кремнію і всередині залізовмісних фаз, що входять в евтектики (рис. 3).
а
б
г
|
Рисунок 3. Нітрид титану всередині (а) та на границях зерен (б), біля пластин кремнію (в), як підкладинка при кристалізації залізовмісних евтектик (г): а - х 78000; б, в, г - х 30000. |
Механізм впливу дисперсних частинок нітриду титану на формування структури доевтектичних силумінів при кристалізації полягає в тому, що основна їх маса виштовхується фронтом кристалізації в рідинну фазу і приймає участь в подрібненні
евтектичних складових сплаву. Кремній постає як ведуча фаза при кристалізації лише в початковий момент часу. При використанні частинок з характерним розміром 0,1 - 0,3 мкм і при їх вмісті в металі біля 0,015 % і з урахуванням розмірів фазових складових подвійної евтектики можна вважати, що перед фронтом кристалізації цих фаз знаходиться достатньо велика кількість частинок, що мають малу рухомість в межах дифузійного пограничного шару, з якого поставляються ті чи інші атоми для росту фазових складових евтектики. Розрахунки показали, що густина частинок склала 0,1 мкм-3 за умови їх рівномірного розподілення, а густина мікроугруповань кремнію, за літературними даними, на три порядки менша. В цих умовах зростання пластин кремнію в евтектиці приводить до підвищення концентрації тугоплавких частинок поблизу кремнієвої складової і блокування фронту кристалізації кремнію. Це сприяє гілкуванню кристалів і уповільненню їх росту. Такий механізм формування евтектики приводить до її подрібнення. При відсутності модифікування укрупнення пластин кремнію відносно може здійснюватися шляхом двійникування. Оскільки частинки ТіN блокують і бокові грані кристалу кремнію, то двійникування виключене. Окремі частинки захоплюються фронтом кристалізації a-твердого розчину. Деяка кількість нітридів виштовхується на міжзеренні границі.
Нітрид титану займає місце в центрі залізовмісної фази і на ньому, як на підкладинці, починається ріст відповідної фази. Великою кількістю частинок нітриду і пояснюється сильне подрібнення складних евтектик. Звертає на себе увагу той факт, що в присутності нітридів збільшується об’ємна кількість евтектик і зменшується об'єм фази, що первинно кристалізується. Якщо кристалізація та ріст складних (потрійних і більше) фаз визначаються дифузійним перенесенням домішок, то певна частина цих домішок в вихідному металі може не встигати перерозподілитися в об'ємі металу та прийняти участь в рості відповідних фаз. Ці домішки в певних межах переходять в твердий розчин на основі алюмінію. Тобто кількість твердого розчину збільшується порівняно з рівноважними умовами. Якщо ж кристалізація фаз починається на багатьох центрах, то шари рідини, що знаходяться поблизу, швидко збіднюються домішками. Дифузійний потік атомів переривається й закінчується ріст фази. Оскільки центри кристалізації розповсюджені по всьому об'єму, що приймає участь в тужавінні, то дифузійний перерозподіл домішок здійснюється у відносно невеликих об'ємах і ступінь використання домішок в процесі кристалізації складних евтектик буде значно більша в присутності нітридів, матриця сплаву очищується від домішок. Оскільки зменшується кількість атомів, що беруть участь в утворенні твердого розчину, то і зменшується його об'ємна доля. Об'ємна ж доля евтектик за рахунок більш повного використання домішок зростає.
Щодо подрібнення первинних виділень кремнію, то аналіз величини впливу поверхнево активних речовин (ПАР) на тверду частинку в розплаві показує, що кристалізація первинних кристалів приведе до перерозподілу концентрації ПАР. При великих швидкостях охолодження кристалізація розвиватиметься шляхом утворення великої кількості центрів кристалізації, а присутні в розплаві тверді неметалеві включення розподіляться рівномірно в матриці та слабо впливатимуть на розміри первинних виділень. Із зниженням швидкості охолодження збільшується внесок швидкості росту кристалів в тужавіння виливка і з'являється можливість утворення лікваційних шарів біля поверхні росту твердої фази.
Вплив дисперсних частинок нітридів на первинні кристали в процесі твердіння можна описати наведеною нижче схемою на прикладі кристалізації кремнію в заевтектичному алюмінієво-кремнієвому сплаві. Кристал кремнію в процесі росту виштовхує поперед себе дисперсні частинки. Накопиченню їх перед фронтом кристалізації сприяє і ліквація ПАР. Відбувається часткове блокування зростаючих граней кристала. Не заблоковані частини поверхні кристала продовжують рости, а заблокована поверхня призупиняє своє зростання. Такий вплив частинок приводить до утворення замкнутих усередині первинної фази об'ємів рідини за рахунок гілкування. Усередині таких замкнутих об'ємів можливе блокування внутрішньої поверхні поділу фаз, що також приводить до гілкування фази, що первинно кристалізується. Слід чекати, що в цих об'ємах будуть утворюватися мікропорожнини і за рахунок цього знижуватиметься макропористість і усадка.
Наведені модельні уявлення підтверджені металографічними дослідженнями на сплаві КС740 з використанням дисперсних частинок НfN.
Тугоплавкі нітриди сприяють також збільшенню дефектності структури і дисперсному зміцненню матриці. При цьому густина дислокацій зростає більш ніж в два рази (з ~1,2*10 м- до ~3,0*10 м-2). В процесі деформації такі зразки проходять стадію легкого ковзання, яка закінчується утворенням скупчень дислокацій. На другій стадії утворюються плоскі скупчення дислокацій Ломера-Котрелла, що мають низьку енергію та стійкі до розкладання. В цілому дисперсні тугоплавкі частинки (в залежності від способу введення дисперсних нітридів у розплав) постають як універсальний подрібнювач фазових та структурних складових сплаву та дисперсний зміцнювач матриці.
В п’ятомурозділі наведено результати вивчення впливу азоту і дисперсних нітридовмісних частинок на структуру й властивості алюмінієвих сплавів. Для цього проводили обробку розплавів азотом за допомогою зануреної в рідкий метал плаз-меної фурми або вводили дисперсні частинки з брикетів на металевій основі, одержаних за методом твердофазної активації дисперсних тугоплавких частинок.
Встановлено вплив параметрів плазмової обробки та екзогенних нітридів на механічні властивості сплаву АК12 (рис. 4). Характер зміни тимчасового опору розриву, відносного подовження і твердості сплаву АК12 при різних режимах плазмової обробки розплаву однаковий. Максимальні механічні властивості проявляються при вмісті азоту в сплаві біля 0,02-0,023 %, що в перерахунку відповідає вмісту нітридів кремнію та алюмінію в металі від 0,01 до 0,015 %.
Зміни тимчасового опору і відносного подовження сплаву АК12 в залежності від вмісту екзогенних нітридів також носять екстремальний характер незалежно від типу останніх. Твердість практично лінійно зростає у всьому інтервалі концентрацій нітридів. Більш високі значення механічних характеристик при обробці сплаву нітридами алюмінію можливо пов'язані з природою частинок, але однаковий характер зміни властивостей і приблизний збіг горизонтальної координати екстремуму з результатами плазмової обробки силуміну вказує на збіг механізмів впливу як екзогенних, так і ендогенних нітридів.
За рахунок високої швидкості розпаду a-твердого розчину і коагуляції частинок кремнію сплав АК12 не підлягає гартуванню та старінню. Нітриди, які утворюються при плазмовій обробці або введені в розплав у вигляді готових частинок, можуть перешкоджати коагуляції кремнію при нагріві під гартування і наступному відпуску. Встановили, що при зміцнюючій термообробці сплаву з ендогенними ніт-
|
г |
Рисунок 4. Зміна механічних властивостей сплаву АК12 від часу обробки низькотемпературною азотною плазмою (струм дуги: а –А, б –А; витрати азоту –,26 л/с) та вмісту дисперсних нітридів алюмінію (в) і кремнію (г) (1 –без термообробки, 2 –після термообробки за режимом Т2, 3 –після термообробки за режимом Т6). |
|
|
в |
||
|
б |
||
|
а |
ридами за режимом Т6 відбувається незначне зростання тимчасового опору розриву, відносне подовження для сплаву з 0,02 % азоту склало 12-13 %, що у 2,8-3,2 рази вище за вихідний матеріал, термооброблений за режимом Т2. Підвищення цих характеристик здійснюється одночасно.
Мікроструктурні дослідження показали (рис. 5), що при введенні дисперсних нітридів відбувається модифікування структури силумінів. Подрібнюється і приймає
більш компактну форму евтектичний кремній, дещо зменшується розмір зерен, відсутня коагуляція кремнієвих частинок при температурах гартування. Максимальний ступінь модифікування спостерігається у сплавів з найбільш високими механічними властивостями.
|
а |
б |
|
в |
г |
|
д |
є |
|
Рисунок 5. Мікроструктура сплаву АК12 (АЛ2) після обробки азотною плазмою зі струмом дуги 400 А та витратами плазмоутворюючого газу 0,26 л/с (в, г) та дисперсними нітридами кремнію (д, є): а, б –вихідний сплав без обробки плазмою, в, г –вміст азоту 0,027% (час обробки плазмою 15 с), д, є – вміст SiN 0,01%, ; стан зразків: а, в, д –литий, б, г, є –після термообробки за режимом Т6; а, б, в, г - х 150, д, є - х250. |
При використанні для зміцнення сплаву АК12 екзогенних нітридів у всіх випадках термообробка привела до деякого зниження тимчасового опору й твердості. Відносне подовження зросло у 2,1-2,4 рази і склало 19-21,5 %. Оброблені нітридами сплави після термообробки Т6 мали і більш високий тимчасовий опір, ніж вихідний матеріал. Так sв підвищується на 70-75 %, а твердість залишається на рівні вихідного литого металу. Пластична деформація термооброблених зразків при механічних випробуваннях відбувалась шляхом поширення пластичної хвилі з утворенням смуги Чернова-Людерса. Причому утворення шийки відбувалося по черзі у двох місцях. З цього походить, що в результаті термічної обробки Т6 зразків сплавів, що вміщували нітриди, утворювалася структура з рівномірним розподілом нітридів і сфероідизованих дрібних частинок кремнію в алюмінієвій матриці, які сприяли закріпленню дислокацій в процесі поширення пластичної деформації, зміцненню в зоні деформації і утворенню смуги Чернова-Людерса в новому місці. Руйнування зміцненого матеріалу носить явно виражений характер росту і злиття мікропор.
Ефект зміцнення проявляє себе і при литті в піщано-глинисті форми, але в меншому ступені, ніж при литті в металеву форму. Одержані ж механічні властивості сплаву АК12 відповідають литтю в кокіль. Встановлено, що дисперсні тугоплавкі частинки і в цьому випадку сприяють подрібненню структурних складових сплаву. В сплаві монотонно зменшується вміст водню (з 0,78*10-5 до 0,67*10-5 м/кг) при зростанні кількості дисперсних частинок 0,01 %, а потім незначно підвищується. Термообробки Т2 і Т6 при загальному зниженні вмісту водню в сплаві не змінюють характеру залежності.
В результаті плазмової обробки розплаву АК7 з підвищеним вмістом заліза (1,34 %) та наступного гартування виливків sв збільшилось від 177 до 210 МПа, а відносне подовження - від 2 до 6 % при незначному зниженні твердості сплаву, який містить 0,07 % азоту (рис. 6). Встановлено, що частинки кремнію в евтектиці подрібнюються і сфероідизуються. Максимальну ступінь подрібнення кремнію мають сплави з найбільш високими механічними властивостями. Відсутність коагуляції кремнію може бути наслідком уповільнення дифузійних процесів за рахунок блокування меж поділу фаз нітридами. Одержані механічні властивості сплавів при термообробці за стандартними режимами вказують на зміну кінетики процесів, що відбуваються в матеріалі оскільки більше відносне подовження сплав має після термообробки за режимом Т5, а більший тимчасовий опір - після Т6, а не навпаки.
При обробці розплаву АК7 дисперсними тугоплавкими частинками всі вивчені механічні властивості носять екстремальний характер в залежності від концентрації частинок. Різниця спостерігається тільки в величині їх підвищення та визначається природою частинок, їх кількістю і типом сплаву, тобто комплексом легуючих елементів. Наприклад, для сплаву АК7 (з 1,34 % Fe) більш ефективний нітрид кремнію. Найбільш високі механічні властивості становлять: sв - 350-370 МПа, d - 3,2-3,4 %, твердість - 1180-1190 МПа, і дозволяють запропонувати заміну ним більш доро-
|
г |
Рисунок 6. Зміна механічних властивостей сплаву АК7 від часу обробки низькотемпературною азотною плазмою (струм дуги: а –А, б –А; витрати азоту –,26 л/с) та вмісту дисперсних нітридів алюмінію (в) та кремнію (г) (1 –в литому стані, 2 –після термообробки за режимом Т4, 3 –після термообробки за режимом Т5). |
|
|
в |
||
|
б |
||
|
а |
гих сплавів. Більш високий ступінь зміни механічних властивостей сплавів з нітридами порівняно з вихідними в результаті термообробки може бути пов'язаний із зміною умов проходження процесів при гартуванні і старінні в присутності нітридів. Екстремальний характер зміни властивостей, як і при плазмовій обробці, вказує на схожий характер впливу дисперсних частинок, тобто на однаковий механізм модифікування азотом та нітридами.
В сплавах з оптимальним вмістом нітриду подрібнюються первинні зерна, зникають голкоподібні залізовмісні фази, а при великій кількості нітридів структурагрубішає. При нагріві при гартуванні відбувається подрібнення та сфероідизація кремнію. При старінні укрупнення кремнієвої складової не відбувається.
Фрактографія поверхні зламів показала, що руйнування вихідних зразків відбувається як сколом (з-за присутності в сплавах кисню та заліза), так і шляхом утво-рення та росту мікропор. Обробка нітридами приводить до перерозподілу домішок і зв'язуванню їх у дрібні компактні включення при оптимальній кількості нітридів чи до утворення лапатих частинок при більшій кількості. Міжзеренного розшарування матеріалу при оптимальних умовах обробки розплаву нітридами не відбувається.
При введенні в розплав сплаву АК7 (Fе<0,5 %) нітридів титану тимчасовий опір розриву в литому стані зростає на 17-18 %, в термічно обробленому за режимом Т4 - на 12,5 %, за режимом Т5 - на 28 % та за режимом Т6 - на 19-20 %. Відносне подовження сплаву збільшується в литому стані в 2,4, після гартування - в 2,3, після Т5 і Т6 - в 1,3 - 1,5 раза. Твердість змінюється по кривій з максимумом, що припадає на оптимальний вміст нітридів в сплаві (0,01 - 0,02 %).
Фрактографічне вивчення поверхні руйнування цього сплаву показало, що зародження тріщини відбувається в евтектиці, а її поширення утруднюється завдяки зростанню міцності a-фази. Дрібна ямкова будова a-фази і розтріскування стінок ямок вказують на значні напруження та деформацію матриці. У зразках із нітридами евтектика подрібнюється і кремнієва її складова стає більш чистою за домішками. Встановлено, що збільшується вміст заліза на поверхні сколу; кисень, азот, вуглець і залізо зв'язуються в дрібні частинки, що знаходяться в ямках областей в'язкого руйнування.
Підвищення механічних властивостей сплаву АК7 (Fe<0,5 %) при литті в піщано-глиністі форми за рахунок обробки розплаву дисперсними частинками карбіду титану пов’язане з подрібненням структурних і фазових складових та зниженням вмісту газів у виливках. При оптимальній кількості дисперсних частинок поруватість знижується і в залежності від їх концентрації вміст газів у зразках носить екстремальний характер. Досліджено вплив дисперсних частинок на параметри переносу водню в сплаві і визначені воднепроникність, дифузія та розчинність водню.
На тимчасовий опір розриву й твердість сплаву АК7 впливають всі фактори технологічного процесу гартування та старіння і для одержання високого значення sв їх потрібно додержувати на нижньому рівні. Для відносного подовження в умовах експерименту час старіння не є значимим фактором. Найбільше на d впливають час витримки під гартування, температура старіння та взаємодія факторів температури гартування з температурою старіння. Ця взаємодія має більшу долю участі в рівнянні регресії. Температуру гартування слід тримати на нижньому рівні і тоді негативний вплив температури перекривається взаємодією факторів.
Тимчасовий опір розриву сплаву АК9 після введення нітридів титану збільшується від 171 до 213 МПа, відносне подовження - від 2,9 до 6,1 %, твердість зростає лінійно і при оптимальному вмісті нітридів дорівнює 720 МПа. Завдяки тому, що нітриди стають підкладинками для центрів кристалізації залізовмісних евтектик, відбувається перерозподіл заліза між фазовими складовими сплаву і зростання вмісту заліза у фазі, що має вигляд ієрогліфів в середньому від 16,28 % до 22,27 %. Дослідження розподілу елементів показало, що частинки TiN розміщені досить рівномірно в матриці і мають можливість впливати на всі структурні складові, що веде до підвищення механічних властивостей АК9 до рівня деяких сплавів з низьким вмістом заліза.
Залежність тимчасового опору розриву від вмісту TiN при стандартному режимі термічної обробки Т5 сплаву АК5М2 має явно виражений максимум. При обробці розплаву нітридами титану sв сплаву зростає з 290 до 320 МПа, відносне подовження має максимум (1,8 %) при 0,016 % TiN, твердість зростає у всьому інтервалі дослідженого вмісту нітридів, границя пропорційності досягає 300 МПа. При використанні частинок SiN зміна механічних властивостей сплаву має подібний характер.
Порівняння даних мікроструктурних досліджень сплавів AК9 і АК5М2 вказує на подібність механізмів впливу дисперсних частинок на їх структуру. Максимальній ефект проявляється при литті через 15-20 хвилин після закінчення обробки розплаву та зберігається протягом 1-1,5 годин при витримці метала в рідкому стані.
Аналіз результатів оптимізації термообробки зміцненого за допомогою TiN і SiN сплаву АК5М2 показує, що найкращими є умови із зниженою по відношенню до стандартного режиму температурою нагріву під гартування, збільшеними термінами нагріву під гартування та старіння. Максимальне значення тимчасового опору розриву (344 МПа) можливе при вводі в сплав 0,014 % TiN і термообробці за стандартним режимом Т5. При цьому відносне подовження підвищується до 1,5-1,8 %, що в 3 рази вище за вихідній сплав. Найкращий же показник d (4,22 %) досягнуто при вводі в сплав 0,014 % SiN і термообробці за режимом: гартування від 738 К при гомогенізації 6 годин та штучне старіння при 439 К протягом 5 годин.
Для підвищення відносного подовження виливків із високоміцного мідястого силуміну АК8М (АЛ32) застосували введення в його розплав дисперсних карбідів титану. Вивчали кінетику зміни тимчасового опору розриву і відносного подовження гартованих сплавів. Після старіння за стандартним режимом відносне подовження сплавів знаходилось нижче дозволеного рівня (менше за 2 %), як і у випадку виплавки й термообробки за технологічною інструкцією підприємства. Застосували пом'якшення режиму старіння виливків. Після природного старіння впродовж 10 діб d сплаву стабілізується на рівні 2,4 %, а sв досягає 250 МПа. Вказані величини є мінімальними і в 50-60 % випадків відносне подовження дорівнювало від 3 до 5 % при задовільному тимчасовому опорі. З використанням методики планування експерименту відпрацьовані режими термічної обробки сплаву АК8М при литті в піщано-глиністі форми.
Встановлено, що при литті під тиском зразків для механічних випробувань сплаву АК8М з карбідами титану достатньо проводити природне старіння виливків впродовж 10 діб. Залучення методик планування експерименту дозволило добрати режим штучного старіння, при якому d сплаву, що отриманий литтям під тиском, знаходиться на рівні більш за 2 % при тимчасовому опорі більше 260 МПа. Фрактографічне вивчення поверхні зламу литого під тиском сплаву АК8М (АЛ32) показує, що руйнування зразків відбувається по евтектичній складовій. Більш в'язкий злам має литий сплав із нітридами титану. Області в'язкого руйнування представлені великими ямками, що створилися в результаті зародження, росту і злиття мікропор, твердий розчин на основі алюмінію значно зміцнений.
Дисперсні нітриди титану в сплаві КС740 дають можливість одержання sв на рівні 280 МПа при твердості 1420 МПа і першому балі пористості. У сплаві зменшуються розміри первинних кристалів кремнію та інтерметалідів. Визначена оптимальна кількість нітриду та склад флюсової композиції.
Необхідно підкреслити однаковий характер змін механічних властивостей різних сплавів від кількості введеного азоту чи тугоплавких частинок. Існує максимум механічних властивостей (іноді твердість зростає лінійно) приблизно при одній і тій же кількості нітридів (азоту), тобто існує область оптимуму. При кількості нітридів, що перевищує оптимальну, механічні характеристики знижуються у зв’язку з конгломерацією частинок у розплаві.
Процеси, що проходять при термічній обробці сплавів, залежать від швидкості дифузії при відповідних температурах. Встановлено, що присутність нітридів титану сприяє зміні рухомості атомів Si, Fe, Cu, Mg у силумінах. Це вказує на необхідність оптимізації режимів термообробки сплавів, що містять тугоплавкі частинки. Наприклад, для сплаву Al-Si-Mg-Cu-Mn-Fe-Zn визначено, що інтервал температур старіння зразків у вихідному стані складає 390-475 К і інтервал температур гомогенізації перед гартуванням - 573-625 К. У сплаві з нітридами старіння інтенсивно проходить вже при кімнатній температурі. Гартування його може проводитися в аналогічних умовах, але з коротшим часом гомогенізації без суттєвого впливу на насиченість твердого розчину. При витримці загартованого сплаву при температурі 475 К процес розпаду твердого розчину завершується вдвічі швидше.
Таким чином, присутність в сплаві нерозчинних частинок дозволяє контролювати зростання зерна при нагріві під гартування, приводить до перерозподілу домішок між фазами сплавів, до зміни механізмів деформації і руйнування матеріалів, змінює кінетику процесів, що проходять при термічній обробці.
Дослідно-промисловими випробуваннями, результати яких наведено в шостому розділі, підтверджена можливість використання алюмінієвих сплавів з вмістом домішок заліза на верхньому рівні.
Проведена заміна сплавів АК12 (АЛ2) на більш дешевий сплав АК7 з підвищеним вмістом заліза в чушках (до 1,5 %) в умовах ливарного цеха Орджонікідзевського заводу автотракторного електрообладнаня. Запропоноване модифікування сплаву АК7 у роздавальній печі нітридами кремнію при температурі розплаву 1003-1043 К дозволило підвищити тимчасовий опір розриву зі 164...177 МПа до 220 МПа, відносне подовження - з близько 1% до 4,8% , твердість - з 600 МПа до 750 МПа в литому стані.
Проведені дослідно-промислові випробування технології обробки нітридами сплаву АК12М2МгН (АЛ25) при литті кріпильних плит в умовах АО "Київтрактородеталь" показали зниження браку литва по пористості на 4 %. Відбувається підвищення міцності виливків на 12...16% і їх твердості на 5...7%. .
Введення частинок TiN в сплав АМ4,5Кд окрім більш високого рівня механічних характеристик (410-420 МПа і 11 %) дозволяє запобігти браку виробів за перепалом за рахунок контролювання росту зерна та додаткового зміцнення зростаючих зерен. Обробка нітридами дозволяє використовувати для термообробки печі ОКБ-3018 замість печей аеродинамічного нагріву.
Обробка високоміцного сплаву АМ4,5Кд нітридовмісним флюсом і корекція режиму термічної обробки виливків дозволили в умовах ливарного цеху Київського механічного заводу підвищити їх тимчасовий опір розриву на 15 % і відносне подовження - на 25 %. На основі дослідно-промислових іспитів складене доповнення до технологічної інструкції ОПІ 237-78 на одержання виливків із сплаву АМ4,5Кд.
В результаті проведених досліджень з теоретичних і практичних аспектів взаємодії азоту і дисперсних тугоплавких азотовмісних частинок з ливарними алюмінієвими сплавами на стадіях рідкого металу, при формуванні структури сплавів під час кристалізації та в литому і термообробленому стані виявлені закономірності формування структури та механічних властивостей цих сплавів, а саме:
1. Встановлено, що при при взаємодії рідкого алюмінію з азото-водневою атмосферою при низьких значеннях парціального тиску водню у газовій суміші і при контактному куті змочування нітриду алюмінію розплавом більше 90о, процес абсорбції азоту рідким алюмінієм є оборотний, а нітриди алюмінію утворюються при кристалізації та охолодженні металу. Розроблена методика дослідження взаємодії рідких сплавів на основі алюмінію з азотом азото-водневої суміші.
. Вперше капілярним методом в інтервалі температур 1023...1223 К вивчена дифузія азоту в рідкому алюмінії та його сплавах з кремнієм, міддю, титаном і марганцем. Встановлено, що поверхневі процеси взаємодії азоту з алюмінієм не лімітують проникнення азоту скрізь розплав, а сам атом дифундує по розпорядкованій зоні розплаву. Температурні зміни коефіцієнта дифузії азоту носять експоненційний характер, що вказує на перевагу активаційного механізму дифузії азоту. Отримано аналітичні температурні залежності коефіцієнта дифузії азоту в рідких сплавах систем Al-Sі, Al-Cu, Al - Mn і Al - Tі.
3. Встановлено як умови виходу твердих частинок на поверхню поділу фаз, так і їх стабілізації в потоці рідкого металу, в залежності від фізичних, геометричних і фізико-хімічних властивостей частинки та розплаву, що дозволяє визначати технологічні параметри одержання будь-яких сплавів, зміцнених дисперсними частинками, що не змочуються розплавом.
4. Встановлено, що нітриди в рідкому алюмінії прискорюють гетерогенне зародкоутворення при кристалізації, а обробка нітридами за- і доевтектичних силумінів приводить до збільшення об'ємної частки евтектик і зменшення кількості первинних виділень a-фази чи кремнію при модифікуванні. Термін і температурні інтервали виділення фазових і структурних складових сплаву змінюються.
. Встановлено універсальний характер впливу тугоплавких частинок на формування структури алюмінієвих сплавів, який полягає в зміні розмірів продуктів первинної кристалізації, евтектик і внутрішньої будови зерен. Подрібнення фазових і структурних складових силумінів дисперсними частинками нітридів пов'язане з обмеженням росту первинних фаз і евтектичного кремнію, виключенням можливості двійникування кремнію та прискоренням гетерогенного зародкоутворення при кристалізації складних залізовмісних евтектик. Введення нітридів приводить до перерозподілу домішок між фазовими складовими металу і збільшення дефектів структури.
. Встановлено ектремальне зростання механічних властивостей сплавів в залежності від кількості азоту або нітридів у розплаві, що пов’язано з подрібненням a-фази і кремнію, евтектик і залізовмісних фаз, зв'язуванням домішки заліза в дрібні рівновісьні частинки і очищенням кремнієвої фази від домішок заліза, кисню, вуглецю та азоту.
7. Встановлено, що при вводі азоту чи синтетичних тугоплавких частинок суттєво підвищується тимчасовий опір розриву, відносне подовження і твердість сплавів в литому та термообробленому стані, знижується вміст водню в силумінах. В залежності від типу частинок, способу їх вводу в розплав, термообробки і способу лиття sв зростає на 10-45 %, d - в 1,3-2,5 рази і твердість –на 3-30%.
. Вперше за рахунок відсутності коагуляції кремнію при нагріві до евтектичної температури обгрунтовано застосоватно гартування та старіння сплаву АЛ2 для одержання підвищених механічних властивостей (відносне подовження - 19-21,5 %, що відповідає збільшенню в 2,1-2,4 раза по відношенню до вихідного матеріалу, при підвищенні тимчасового опору на 70-75 % і незмінній твердості на рівні литого матеріалу).
9. Розроблено способи введення тугоплавких частинок у рідкі розплави з високим ступенем їх засвоєння та склади нітридовміщуючих модифікаторів, а також визначені особливості їх застосування в залежності від переважного впливу розміру зерна або розміру і форми евтектичних фаз на механічні властивості литва.
10.
32
Проведено дослідно-промислові випробування технології модифікування нітридами сплавів АК12, АК7, АК12М2МгН (АЛ25) та АМ4,5Кд з метою підвищення їх службових характеристик.
11. Результати проведеної роботи впроваджені в навчальний процес і використовуються при читанні курсу "Фізичні властивості металевих і шлакових розплавів" і "Литі композиційні матеріали".
Основний зміст дисертації опубліковано в наступних роботах:
36
Свойства вторичных алюминиевых сплавов, модифицированных нитридом титана / Чернега Д.Ф., Бондарек З., Михаленков К.В., Могилатенко В.Г. // Литейное производство. - 1991. - № 3. - С. 6-7.
24.Термообработанные доэвтектические силумины, содержащие нитрид титана / Козлова З.Л., Могилатенко В.Г., Панкеева Л.А., Шепелева Л.В. // Процессы литья. - 1993. - № 2. - С. 111-116.
Додатково зміст дисертації опубліковано в роботах:
38
Нитридные частицы как перспективный материал в технологии упрочнения алюминиевых сплавов / Чернега Д.Ф., Михаленков К.В., Могилатенко В.Г. // Неметаллические включения и газы в литейных сплавах. Сборник научн. трудов VIII научн.-технич. конфер. - Запорожье: ЗГТУ.- 1997. - С. 179-181.
Могилатенко В.Г. Наукові та технологічні засади модифікування ливарних алюмінієвих сплавів азотом і азотовмісними дисперсними тугоплавкими частинками. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.16.04 - Ливарне виробництво. - Фізико-технологічний інститут металів і сплавів НАН України, . - Київ, 2004.
Дисертацію присвячено створенню теоретичних та технологічних засад модифікування та зміцнення азотом і дисперсними тугоплавкими азотовмісними сполуками ливарних алюмінієвих сплавів.
Встановлено, що азот здатний дифундувати в алюмінії і його сплавах і вперше одержано температурно-концентраційні залежності коефіцієнту дифузії азоту в алюмінії та його бінарних сплавах з Si, Cu, Mn і Ti в інтервалі температур 1023-1223 К.
Визначено оптимальні межі вмісту азоту в сплавах при введенні його з газової фази та оптимальні кількості синтетичних нітридів у сплавах. Встановлено, що вплив нітридів на кінетику кристалізації алюмінію та його сплавів полягає в зміні розмірів продуктів первинної кристалізації, евтектик і внутрішньої будови зерен. Встановлено механізм подрібнення фазових і структурних складових силумінів дисперсними азотовмісними частинками.
Визначено вплив азоту і дисперсних нітридів на механічні властивості силумінів та взаємоз’язок структурних змін з механічними властивостями сплавів у литому та термообробленому стані. Показано, що дисперсні нітриди в сплавах постають як універсальний модифікатор, дисперсний зміцнювач, антикоагулятор структурних складових сплавів.
Наслідком модифікування стало значне підвищення механічних властивостей литва особливо з алюмінієвих сплавів забруднених залізом.
Ключові слова: модифікування, азот, нітриди, розплав, алюміній, алюмінієві сплави, структура, механічні властивості.
Mogylatenko V.G. Scientific and technological bases of modifying of foundry aluminium alloys by nitrogen and by refractory nitrogen containing particles. – The manuscript.
The dissertation on competition of a scientific degree of the doctor of engineering science on a speciality 05.16.04 –“Foundry”. - Physical and technological institute of metals and alloys of NAS of Ukraine. - Kiev, 2004.
The dissertation is devoted to creation of theoretical and technological bases of modifying and hardening of foundry aluminium alloys by nitrogen and by refractory nitrogen containing particles.
In the dissertation is established, that nitrogen is capable to diffuse in aluminium and its alloys and temperature and concentration dependences of the diffusion of nitrogen in aluminium and its binary alloys with Si, Cu, Mn and Ti in an interval of temperatures 1023-1223 K are received.
The optimum limits of alloying by nitrogen are determined at introduction it from a gas phase and optimum amounts synthetic nitrides in alloys are determined too. Is established, that nitrides influence on the crystallization of aluminum and its alloys. The character of this influence on structure of aluminium alloys - universal and it consists in change of the sizes of products primary crystallization, eutectics and internal structure of grains. The mechanism of crushing of phase and structural components by particles is established.
The influence of nitrogen and dispersed nitrides on mechanical properties Al-Si alloys and interrelation of structural changes with mechanical properties of alloys in cast and heat treatment condition is determined. Is shown, that nitrides in alloys are the modifier, the strengthening of a matrix, anticoagulator and change conditions of the dispersion hardening at heat treatment.
By consequence of the received results was the development of theoretical and technological bases of hardening of foundry aluminium alloys by nitrogen and nitrides. It has enabled considerably to increase mechanical properties of cast products in particular of aluminium alloys polluted by iron.
Key words: modifying, nitrogen, nitrides, melts, aluminum, aluminium alloys, structure, mechanical properties.
Могилатенко В.Г. Научные и технологические основы модифицирования литейных алюминиевых сплавов азотом и азотсодержащими дисперсными тугоплавкими частицами. - Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.16.04 - Литейное производство. - Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины. - Киев, 2004.
Диссертация посвящена созданию теоретических и технологических основ модифицирования и упрочнения литейных алюминиевых сплавов азотом и дисперсными тугоплавкими азотсодержащими соединениями.
В диссертации установлено, что азот способен диффундировать в жидком алюминии и его сплавах, и впервые получены температурно-концентрационные зависимости коэффициентов диффузии азота в алюминии и его бинарных сплавах с Si, Cu, Mn и Ti в интервале температур 1023-1223 К. Физическими и термодинамическими расчетами показано, что в условиях проточной системы при диффузии азота из азото-водородной атмосферы через жидкий алюминий образование нитридов не происходит.
Определены оптимальные пределы легирования сплавов азотом при введении его из газовой фазы и оптимальные количества синтетических нитридов в сплавах. Установлено влияние нитридов на кинетику кристаллизации алюминия и силуминов. Показано, что возможно стабильное существование на поверхности частиц упорядоченного слоя атомов расплава при температурах несколько выше плавления. Это приводит к раннему зародышеобразованию при кристаллизации.
Установлены как условия выхода частиц из расплава на поверхность раздела фаз, так и условия получения стабильной суспензии, в зависимости от величины конвективных потоков в жидком металле.
Характер влияния тугоплавких частиц на структуру алюминиевых сплавов универсальный и он заключается в изменении размеров продуктов первичной кристаллизации, эвтектик и внутреннего строения зерен. Установлен механизм модифицирования фазовых и структурных составляющих силуминов дисперсными азотсодержащими частицами.
Определено влияние азота и дисперсных нитридов на механические свойства силуминов и взаимосвязь структурных изменений с механическими свойствами сплавов в литом и термообработанном состоянии. Показано, что дисперсные нитриды в сплавах являются модификатором, дисперсным упрочнителем матрицы, антикоагулятором структурных составляющих сплавов.
Для расширения области использования силуминов, в особенности с повышенным содержанием железа, необходимо: вводить тугоплавкие азотсодержащие частицы с помощью метода твердофазной активации или вибрации, а азота – обработкой расплава низкотемпературной плазмой или азот-водородной атмосферой; при обработке экзогенными тугоплавкими частицами их размер не должен превышать 20 мкм; частицы (с характерным размером меньше, чем 0,5 мкм) вводить в количества 0,012-0,015 % независимо от их природы; выбор частиц осуществлять в зависимости от их природы исходя из вспомогательных экспериментов, поскольку только она влияет на степень измельчения фаз и на абсолютные величины механических свойств; проводить коррекцию режима термообработки модифицированных силуминов. Полученные результаты дали возможность значительно повысить качество и механические свойства силуминов, в особенности загрязненных железом.
Ключевые слова: модифицирование, азот, нитриды, расплав, алюминий, алюминиевые сплавы, структура, механические свойства.