Мітяєв Олександр Анатолійович. Науково-технологічні основи формування структури, фізико-механічних і службових властивостей вторинних силумінів

Короткий опис

Мітяєв Олександр Анатолійович. Науково-технологічні основи формування структури, фізико-механічних і службових властивостей вторинних силумінів : Дис... д-ра наук: 05.02.01 2008

Мітяєв О.А. Науково-технологічні основи формування структури, фізико-механічних і службових властивостей вторинних силумінів. - Рукопис.
Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.02.01 Матеріалознавство. Запорізький національний технічний університет, Запоріжжя, 2008.
Дисертація присвячена вирішенню актуальної науково-технічної проблеми забезпечення формування заданої структури вторинних силумінів з метою підвищення показників їх механічних і службових властивостей до рівня первинних сплавів відповідно до вимог ДСТУ 2839-94 (ГОСТ 1583-93). Встановлено залежності впливу кількісних та якісних характеристик інтерметалідних фаз на механічні та службові властивості вторинних силумінів та визначено їх роль у процесах руйнування при статичному та циклічному знакозмінному навантаженнях. Розроблена аналітична модель руйнування вторинних алюмінієвих сплавів, яка дозволяє прогнозувати їх границю міцності. Розроблено рафінувально-модифікувальні матеріали і технологія їх застосування, що за характеристиками дії відповідають і перевищують кращі закордонні аналоги.

1. Відомо, що алюмінієві сплави, які отримано шляхом рециклінга, мають несприятливу спадковість структури і, як наслідок, низький рівень властивостей, який певною мірою зберігається при подальших переплавленнях. Основними чинниками, що визначають якість вторинних сплавів є рівень газонасиченості, а також кількість, форма, розміри і розподіл інтерметалідних фаз, які залежні, перш за все, від вмісту в них заліза. При цьому одну з головних шкідливих домішок вторинних алюмінієвих сплавів залізо, неможливо повністю видалити існуючими методами рафінування. Аналіз літератури дозволяє зробити висновок, що найперспективнішими методами підвищення якості вторинних алюмінієвих сплавів є: вдосконалення процесу сортування брухту і відходів з метою максимального зниження вмісту заліза в шихті та розробка ефективних методів рафінувально-модифікувального оброблення, які переслідують дві мети отримання компактної форми інтерметалідних фаз і зниження вмісту газів.
2. Розроблені вдосконалений, порівняно з ДСТУ 3211-95, «Класифікатор № К110-02-ЦПАС сортів брухту алюмінію після первинного перероблення» і технологічна схема перероблення брухту і відходів виробництва вперше дозволили в умовах Запорізького заводу кольорових сплавів повністю виключити невідповідність сплавів хімічному складу, зменшити на 20% вміст заліза в шихті, забезпечити відповідність рівня якості металу вимогам міжнародного стандарту якості ISO 9002 і знизити трудомісткість й енергоємність процесу отримання вторинних сплавів.
3. Встановлено, що збільшення концентрації заліза у вторинному силуміні з 0,40 до 1,45 мас.% сприяло підвищенню об'ємної частки інтерметалідних включень, які містять залізо, з 4,17 до 11,89%, супроводжувалося збільшенням їх розмірів в 68 разів, а також зміною середньостатистичного параметра форми l з 1,71 до 8,64 (в термообробленому стані). Це призвело до зниження границі міцності на 34%, відносного видовження до нуля, ударної в'язкості на 34%, границі витривалості s-1при частоті 18кГц на 2224% для баз випробувань 106і 107циклів. Проведені дослідження показують визначальну роль форми, розмірів і розташування інтерметалідних фаз, які містять залізо, у формуванні структури і конструктивної міцності вторинних силумінів.
4. Аналіз мікромеханізмів руйнування сплавів методами металографічного та фрактографічного досліджень показав, що в умовах статичного розтягування, мало- та багатоциклової втоми найбільший внесок у процеси руйнування та зниження міцності, пластичності та ударної в’язкості вносить фаза Al5SiFe, яка має моноклінну кристалічну гратку, великі розміри та високий параметр форми .
Вперше встановлена схильність фази Al5SiFe при статичних і циклічних навантаженнях до розшарування та утворення в ній мікротріщин, які переходять у металеву основу.
Встановлено, що зниження в результаті рафінувально-модифікувального оброблення параметра форми l інтерметалідів в литому стані з 9,3 до 2,7 забезпечило підвищення границі міцності на 39%, відносного видовження на 43%, ударної в'язкості на 21% і твердості на 41%. Для термообробленого стану зниження параметра з 5,5 до 1,7 сприяло збільшенню границі міцності на 17%, відносного видовження на 80%, ударної в'язкості на 51% і твердості на 23%.
5. Вперше, з використанням методів математичного аналізу і на основі положень лінійної механіки руйнування запропонована аналітична модель розрахунку границі міцності вторинних силумінів з різним параметром форми l інтерметалідних фаз. Надійна збіжність розрахункових і експериментальних результатів підтверджує коректність аналітичних рішень і достовірність висновків щодо визначальної ролі параметра форми і розташування інтерметалідних фаз в процесах руйнування силумінів.
6. Показано, що зі збільшенням частки вторинних матеріалів в шихті від 0 до 100% структура сплавів становиться менш впорядкованою і диференційованою, зі зростаючою кількістю інтерметалідних фаз несприятливих форми, розмірів та розподілу, параметр форми l при цьому зростає з 13 до 2046, що зумовлює значне зниження рівня механічних властивостей. Між вмістом вторинних матеріалів в шихті і механічними властивостями сплавів встановлено кореляційні залежності з коефіцієнтами кореляції r = 0,930,99.
7. З метою ефективного зменшення параметра форми інтерметалідних фаз і зниження газової пористості на основі NaCl, KCl, AlF3, Na2CО3, S, Ti та ультрадисперсного SіC розроблено флюс (патент України № 58793А) і модифікатор (патент України № 57584А), призначені відповідно для оброблення вторинних алюмінієвих сплавів на стадіях отримання чушки і виливків. Оптимальні, залежно від якості шихти, присадки флюсу (1,01,5%) і модифікатора (0,050,16%) забезпечують рафінування розплаву за адсорбційним і флотаційним механізмами, модифікування евтектичного кремнію та інтерметалідних фаз модифікаторами I і II роду, можливість отримувати вторинні сплави з рівнем властивостей, які відповідають вимогам ДСТУ 2839-94(ГОСТ 1583-93) для первинних сплавів.
Вперше показано, що з урахуванням спадковості алюмінієвих сплавів високі показники механічних властивостей виливків, що отримуються зі 100% вторинної сировини, досягаються при подвійному рафінувально-модифікувальному обробленні: на стадії отримання чушки і виливків.
8. Встановлено, що використання флюсу і модифікатора в результаті поліпшення структури, зменшення параметра форми l інтерметалідних фаз, а також збільшення рівномірності їх розподілу, дозволяє підвищити опір експериментального металу руйнуванню при малоцикловому навантаженні з частотою 1Гц і ступенем деформації e = 0,150,30% до 3 разів. При високочастотному циклічному навантаженні, залежно від рівня напруження, довговічність експериментальних сплавів зростає при частоті 0,3 кГц в 3,755 разів, при частоті 8,8 кГц в 47 разів, а при частотах 18 і 44 кГц в 515 і 8,615 разів відповідно.
9. В результаті рафінувально-модифікувального оброблення кавітаційна стійкість експериментальних сплавів підвищена в 1,92,1 разів, а корозійні втрати маси і швидкість корозії в середовищі (3% NaCl + 0,1%H2O2) знижені в 1,7 раза, площа корозійних уражень зменшена в 1,6 раза, при одночасному скороченні кількості пітингів на одиницю площі в 1,25 раза. Корозійна стійкість вторинних експериментальних сплавів у водогінній воді підвищена в 1,4 раза.
10. Випробування матеріалів досліджень на Запорізькому заводі кольорових сплавів (ЗЗКС), ТОВ «УРП «Союз» і ТОВ «НПКП «Парамі» (Україна), Мінському моторному заводі та Білоруському науково-дослідному інституті лиття Академії наук Республіки Білорусь показали їх високу ефективність. Впровадження розробок на ЗЗКС дозволило отримати щорічний економічний ефект 300,5 тис. грн.; сумарний ефект за період з 2002 по 2005 роки склав 1202,0 тис. грн.