Михаленков Костянтин Вікторович. Закономірності формування дрібнозернистої структури алюмінієвих сплавів, що містять дисперсні частки тугоплавких сполук

Краткое описание

Михаленков Костянтин Вікторович. Закономірності формування дрібнозернистої структури алюмінієвих сплавів, що містять дисперсні частки тугоплавких сполук: дис... д-ра техн. наук: 05.16.01 / НАН України; Інститут металофізики ім. Г.В.Курдюмова. - К., 2005

Михаленков К. В. Закономірності формування дрібнозернистої структури алюмінієвих сплавів, що містять дисперсні частки тугоплавких сполук”. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.16.01 металознавство та термічна обробка металів. Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова Національної академії наук України, Київ, 2005 р.
Дисертацію присвячено встановленню закономірностей і механізмів формування зеренної структури алюмінію і його сплавів при затвердінні в присутності дисперсних часток тугоплавких сполук з метою визначення оптимальних типу і кількості уживаних добавок для формування рівновісної дрібнозернистої структури металу та способів їх введення в розплав. За джерело дисперсних часток правили дво- та трикомпонентні лігатури, що широко застосовуються промисловістю. За допомогою сучасних оптичних і електроних мікроскопів та аналізаторів з високою роздільною здатністю визначалися розміри литого зерна алюмінію і його сплавів в залежності від типу і кількості введеної лігатури, умов плавки і заливання, а також хімічний склад і морфологія зародкоутворюючих часток і прилеглих ділянок матриці. Встановлено, що найкращу зерноподрібнюючу дію в алюмінії і низьколегованих сплавах виявляють частки дібориду титану, що вводяться в розплав у складі лігатури AlTi5B1. У високолегованих сплавах призначених для деформування найкращий ефект спостерігається після введення лігатури AlTi2,2B1, а у випадку ливарних сплавів після додавання AlB4. Експериментально показано існування проміжного шару товщиною біля 20 нм між частками дібориду титану і алюмінієвою матрицею на якому відбувається формування зародків твердої фази. З’ясовані переваги і недоліки застосування інших лігатур і додатків. Запропоновано варіант моделі формування кристалів a-Al в присутності в розплаві зародкоутворюючих часток, в якому враховано розподіл часток за розмірами. Обґрунтовано кількісний критерій зерноподрібнюючої дії тугоплавких часток в залежності від вмісту і типу легуючого елементу. На основі одержаних результатів розроблено науковий підхід до використання лігатур для зменшення розмірів литого зерна алюмінієвих сплавів, якій є універсальним як для ливарних сплавів, так і для сплавів для подальшого деформування.

Дисертація присвячена встановленню закономірностей формування зеренної структури алюмінію і його сплавів при затвердінні в присутності дисперсних часток тугоплавких сполук з метою визначення оптимальних типу і кількості уживаних добавок та способів їх введення в розплав для одержання структури металу з найкращими споживчими характеристиками. На основі результатів комплексного дослідження наслідків кристалізації в присутності часток тугоплавких сполук, виконаного з використанням як оптичної мікроскопії, так і сучасних методів мікроскопії і аналізаторів з високою роздільною здатністю, у сполучені з критичним аналізом літературних даних з даної проблеми, зроблені наступні висновки:

Зменшення розмірів литого зерна алюмінію з доперитектичним вмістом титану, введеного в розплав у складі бінарної лігатури AlTi6, обумовлено зародкоутворюючою дією дисперсних часток карбіду титану, який утворюється завдяки присутності у лігатурі вуглецю, сконцентрованого переважно в кристалах Al3Ti. Частки TiC, що виникли при розчиненні Al3Ti, виявляються стійкими, якщо вміст Ti в розплаві перевищує 0,5 %.
При охолодженні алюмінію чи сплаву алюміній кремній з вмістом Ti більш, ніж 0,15 %, із швидкістю 0,1 20,0 К/с зародкоутворення a-фази відбувається на частках тетрагональної форми, склад яких у випадку чистого Al точно відповідає стехіометричній сполуці Al3Ti, а у сплаві Al Si фазі на основі триалюмініду титану, яка вміщує розчинений кремній.
Здатність до зменшення розмірів литого зерна Al при використанні лігатур системи Al Ti B обумовлена присутністю в їх складі часток дибориду титану, більшість з яких відповідає стехіометричній сполуці TiB2і має розмір 0,1 6,0 мкм. Кристалізація a-Al відбувається не безпосередньо на поверхні цих часток, а на проміжному шарі товщиною 15 20 нм, який повністю вкриває частки і містить лише Al і Ti. Аналіз його електронномікроскопичного зображення показав, що структура шару має ознаки аморфного стану.
При використанні лігатури Al Ti B лише незначна доля часток TiB2, що входять до її складу, виступає як центри кристалізації, а решта осідає в міждендритних ділянках і на границях зерен у вигляді конгломератів. Це явище знижує корисний вплив лігатури на формування дрібнозернистої структури і, крім того, заважає виготовленню особливо тонкостінних деталей та фольги. З цієї точки зору доцільніше використовувати лігатуру Al Ti C, додавання якої не веде до утворення в розплаві великих конгломератів. Застосування цієї лігатури вимагає жорсткого контролю температурних і часових умов плавки, що пов’язано з нестійкістю часток TiC в рідкому алюмінії.
В присутності часток потенційних зародкоутворювачів легуючий елемент впливає на формування дрібнозернистої структури подвійним чином: через зміну швидкості росту кристалів твердої фази і їх морфології і через створення попереду фронту кристалізації зони концентраційного переохолодження (DTc). Частки, що потрапляють до цієї зони, дістаючи необхідне для зародження кристалів переохолодження, стають центрами кристалізації нових зерен. Останні, в свою чергу, утворюють навколо себе зону DTc, яка також містить зародкоутворюючі частки. Така послідовність подій забезпечує рух фронту зародкоутворення від стінок форми вглиб зливка.
Концентрація легуючих елементів в алюмінієвих сплавах, впливаючи на морфологію зростаючих зерен a-фази, визначає ефективність зародкоутворюючої дії тугоплавких часток. При кристалізації сплавів з низьким вмістом легуючих елементів кристали ростуть у формі листків, і дифузійна зона вкриває вершини дендритних гілок товстим шаром, сприяючи зменшенню швидкості росту твердої фази і залишаючи, внаслідок цього, більше часу для залучення у зародкоутворення нових часток. При високому вмісті легуючих компонентів дендритні гілки першого порядку мають гілчасту форму і, відповідно, малу товщину дифузійної зони на вершинах. Через це лише мала доля часток потрапляє в сприятливі для зародкоутворення умови.
Кількісно вплив легуючих елементів на формування дрібнозернистої структури алюмінію в присутності часток тугоплавких сполук може бути описаний фактором росту Q, який відображає швидкість утворення концентраційно-переохолодженної зони на початковій стадії кристалізації. Для ефективного і економічного зерноподрібнення алюмінієвих сплавів Q повинно бути в межах 10 - 20 К. Для сплавів з низьким вмістом легуючих компонентів (Q = 1 - 3 К) слід рекомендувати додаткове легування елементами з високим питомим значенням Q, наприклад титаном, щоб зберігаючи морфологію дендритів, збільшити абсолютну величину DTcі, таким чином, активізувати зародкоутворюючу дію більшої долі часток. У сплавах з високим вмістом легуючих елементів (Q = 40 - 60 К) через вузьку зону DTcформується хоч і рівновісна, але крупнозерниста структура. Тому використання для таких сплавів лігатур з надлишковим, відносно до стехіометричного складу, зародкоутворюючих часток, вмістом легуючих елементів недоцільно.
Вперше експериментально визначений розподіл часток дібориду титана за розміром в лігатурах Al Ti B виявився близьким до експоненціального. Врахування цієї обставини у запропонованому варіанті моделі формування зеренної структури алюмінію в присутності тугоплавких часток показало, що не усі частки TiB2потрапляють у сприятливі для зародкоутворення умови, внаслідок чого коефіцієнт корисної дії лігатур AlTiB ніколи не досягає 100%.

При введенні в Al або сплав Al Si порошку нітриду і карбонітриду титана у суміші з гексафторцирконатом калію центрами кристалізації виступають частки фази на основі Al3Zr, яка містить деяку кількість розчиненого титану. Частки TiN або Ti(C,N) не виконують самостійної зародкоутворюючої функції. Досягнення середнього розміру зерна в межах 100 140 мкм за допомогою введення TiN (Ti(C,N)) потребує майже в 3 рази більшої добавки, ніж при ввдені AlTi5B1. До того ж засвоєння тугоплавких часток TiN або Ti(C,N) суттєво нижче за 100 %, що також знижує економічність їх використання для подрібнення зерен. Тому користуватися для подрібнення зерна алюмінію і його сплавів добавками TiN і Ti(C,N) недоцільно.
В доевтектичних сплавах Al Si найвищу ефективність подрібнення зерна виявляє подвійна лігатура AlB4, механізм дії якої залежить від вмісту домішки титану у вихідному металі. В сплавах з вмістом Ti до 0,01 % утворення зародків твердої фази відбувається на поверхні часток дібориду алюмінію. Для сплавів з вмістом Ti більш, ніж 0,04 %, зародкоутворення відбувається при участі часток дібориду титана, що утворюються у розплаві внаслідок реакції введеного з лігатурою бору з титаном. Ці частки, як і частки TiB2, введені з потрійної лігатури Al Ti B, стійкі в алюмінієво кремнієвому розплаві і зберігають здатність до зародкоутворення навіть після триразового переплаву металу.

Таким чином, в роботі розв'язано важливу науково - практичну задачу: встановлено закономірності формування зеренної структури алюмінію в присутності часток тугоплавких сполук, таких як TiB2, TiC, Al3Ti, Al3Zr, TiN і Ti(C,N) та обґрунтовано, яким чином присутність легуючих елементів та домішок впливає на кристалізацію алюмінію в дрібнозернистій формі. На основі одержаних результатів розроблено підхід до раціонального використання лігатур для зменшення розмірів литого зерна алюмінієвих сплавів і, за рахунок цього, формування високих споживчих властивостей останніх, якій є універсальним як для ливарних сплавів, так і для сплавів для подальшого деформування.