Могилатенко Володимир Геннадійович. Наукові та технологічні засади модифікування ливарних алюмінієвих сплавів азотом і азотовмісними дисперсними тугоплавкими частинками

brief description

Могилатенко Володимир Геннадійович. Наукові та технологічні засади модифікування ливарних алюмінієвих сплавів азотом і азотовмісними дисперсними тугоплавкими частинками : дис... д-ра техн. наук: 05.16.04 / НАН України; Фізико-технологічний ін-т металів та сплавів. - К., 2005

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.

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.
2. 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.
5. 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.
6. 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 sвзростає на 10-45 %, d - в 1,3-2,5 рази і твердість на 3-30%.
8. 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. 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".